玉米籽粒相關(guān)性狀的QTL 定位

王新濤，李保葉，楊 青，代資舉，郝俊杰

（1. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護(hù)研究所，河南 鄭州 450002；2. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 芝麻研究中心，河南 鄭州450002；3. 河南省作物分子育種研究院，河南 鄭州 450002）

玉米是重要的糧食作物和飼料作物，在國民經(jīng)濟(jì)中占有非常重要的地位，而玉米產(chǎn)量的提高是玉米育種者和生產(chǎn)者追求的永恒目標(biāo)[1]。研究表明，玉米籽粒相關(guān)性狀如粒質(zhì)量、粒長和粒寬等是構(gòu)成產(chǎn)量的主要因素，這些籽粒相關(guān)性狀與產(chǎn)量具有高度的相關(guān)性[2]。因此，從分子水平上解析籽粒粒質(zhì)量、粒長和粒寬的遺傳基礎(chǔ)，對(duì)于有效開展籽粒相關(guān)性狀的分子育種進(jìn)而提高玉米產(chǎn)量具有重要意義。

籽粒粒質(zhì)量、粒長和粒寬等性狀均為多基因控制的數(shù)量性狀，國內(nèi)外研究者對(duì)籽粒相關(guān)性狀進(jìn)行了大量的QTL（Quantitative trait loci）定位分析，對(duì)其內(nèi)在遺傳機(jī)制研究也在逐漸深入[3?4]。MESSMER等[5]通過構(gòu)建的重組自交系（Recombinant inbred line，RIL）群體定位到8個(gè)百粒質(zhì)量QTL；張向歌等[6]利用74 個(gè)單片段代換系，在2 個(gè)環(huán)境條件下同時(shí)檢測(cè)到2 個(gè)粒質(zhì)量QTL 和2 個(gè)粒長QTL；LI 等[7]利用11個(gè)RIL 群體進(jìn)行籽粒相關(guān)性狀的QTL 定位，檢測(cè)到146 個(gè)與產(chǎn)量和籽粒性狀相關(guān)的QTL，其中粒質(zhì)量Lqkwei4和粒長Lqklen4-1在多個(gè)環(huán)境下被定位在bin 4.05 的臨近區(qū)間，其最大貢獻(xiàn)率分別達(dá)到27%和24%；王安貴等[8]利用T32 與齊319 構(gòu)建的F2:3家系，分別檢測(cè)到2 個(gè)控制粒質(zhì)量、2 個(gè)控制粒長和7個(gè)控制粒寬的QTL，單個(gè)QTL 可解釋4.03%～11.34% 的表型變異。這些籽粒相關(guān)性狀研究中QTL 定位的數(shù)目和位置存在差異，不同的定位結(jié)果也反映了玉米籽粒相關(guān)性狀遺傳調(diào)控的復(fù)雜性。因此，在不同的遺傳背景下，發(fā)掘更多新的或穩(wěn)定的控制玉米籽粒性狀相關(guān)的QTL，有利于進(jìn)一步解析籽粒性狀的遺傳機(jī)制。為此，以玉米籽粒相關(guān)性狀存在顯著差異的玉米自交系鄭58 和D863F 為親本，構(gòu)建包含241 個(gè)家系的RIL 群體，利用SSR 分子標(biāo)記對(duì)2 a 不同環(huán)境下玉米籽粒百粒質(zhì)量、粒長和粒寬進(jìn)行QTL 定位，檢測(cè)穩(wěn)定表達(dá)的QTL，為玉米籽粒相關(guān)主效QTL 的精細(xì)定位與候選基因分離及產(chǎn)量分子育種提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為玉米籽粒性狀存在顯著差異的自交系鄭58（來自河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，是我國推廣面積最大的玉米雜交種鄭單958 的母本）和D863F（來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所種質(zhì)資源庫）及含有241 個(gè)家系的RIL 群體。其中，RIL 群體是以鄭58 和D863F 為親本，從F2后采用單粒傳法連續(xù)自交至F7所得。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2018 年夏季在河南省西平縣試驗(yàn)基地（113°36'E、33°10'N）、2019 年夏季在河南省原陽縣河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)示范基地（113°96'E、35°05'N）進(jìn)行。供試材料種植行長2 m，行距0.6 m，株距0.25 m，正常田間管理。

1.3 籽粒性狀調(diào)查

1.4 籽粒相關(guān)性狀QTL定位

河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院郝俊杰課題組前期已經(jīng)對(duì)親本鄭58 和D863F 進(jìn)行多態(tài)性SSR 標(biāo)記篩選，共鑒定出有差異性的標(biāo)記215個(gè)（數(shù)據(jù)未發(fā)表）。本研究用這215 對(duì)引物進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。PCR 反應(yīng)體系為10 μL，其中，DNA 模板2.0 μL，上、下游引物各0.4 μL，Mix 5.0 μL，ddH2O 2.8 μL。擴(kuò)增程序：95 ℃預(yù)變性5 min；95 ℃變性60 s，60 ℃退火50 s，72 ℃延伸50 s，35 個(gè)循環(huán)；72 ℃延伸5 min。PCR 產(chǎn)物在ABI 3500XL 基因分析儀中進(jìn)行電泳和分析。

河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院郝俊杰課題組前期利用JoinMap 4.0 軟件構(gòu)建了該RIL 群體的遺傳連鎖圖譜，圖譜全長為1 832.35 cM，平均遺傳距離為8.52 cM，并進(jìn)行了抗病等性狀(粗縮病和葉寬)的定位分析[9?10]。本研究采用QTL IciMapping 4.0 軟件的完備區(qū)間作圖法對(duì)2 a 不同環(huán)境下的百粒質(zhì)量、粒長、粒寬進(jìn)行QTL 分析，設(shè)定LOD（Likelihood of odd）閾值為2.5，PIN（Pvalues for entering variables）設(shè)為0.01，通過1 000 次模擬運(yùn)算檢測(cè)確定[11]。QTL 命名方式為q+性狀名稱縮寫+染色體，如果同一染色體存在多個(gè)QTL位點(diǎn)，則在染色體后加上相應(yīng)的編號(hào)。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米親本和RIL群體籽粒相關(guān)性狀分析

對(duì)玉米親本及RIL群體的籽粒相關(guān)性狀進(jìn)行分析(表1、圖1—2)，結(jié)果表明，2 a不同環(huán)境下，親本鄭58 的百粒質(zhì)量、粒長和粒寬平均值均高于D863F，均存在顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）差異。RIL群體中不同株系的百粒質(zhì)量、粒長和粒寬均表現(xiàn)出較大的變異。其中，2 a 百粒質(zhì)量的變異系數(shù)最大，分別為16.18%和15.50%，粒長的變異系數(shù)分別為7.49%和7.16%，粒寬的變異系數(shù)分別為7.00%和6.39%。除2018 年粒長的峰度絕對(duì)值大于1 外，其他性狀的峰度、偏度絕對(duì)值均小于1，基本符合連續(xù)的正態(tài)分布，表明籽粒相關(guān)性狀屬于典型的受多基因控制的數(shù)量性狀，適合進(jìn)行QTL定位研究。

表1 不同環(huán)境下玉米親本及RIL群體籽粒相關(guān)性狀分析Tab.1 Traits related with kernel in parents and RIL population under different environments

2.2 玉米R(shí)IL群體籽粒性狀的相關(guān)性分析及遺傳力分析

對(duì)2 a不同環(huán)境下玉米R(shí)IL群體的百粒質(zhì)量、粒長和粒寬進(jìn)行相關(guān)性分析（表2），結(jié)果表明，玉米R(shí)IL 群體百粒質(zhì)量、粒長和粒寬兩兩之間呈極顯著正相關(guān)。其中，百粒質(zhì)量與粒寬相關(guān)系數(shù)最大，2 a分別為0.91 和0.87；粒長與粒寬的相關(guān)系數(shù)最小，分別為0.63 和0.64。方差分析結(jié)果表明，百粒質(zhì)量、粒長和粒寬均具有較高的廣義遺傳力，分別為0.86、0.89和0.88(表3)。

表2 玉米R(shí)IL群體籽粒性狀的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis among traits related with kernel in maize RIL population

表3 不同環(huán)境下玉米R(shí)IL群體籽粒相關(guān)性狀的方差分析Tab.3 Variance analysis on traits related with kernel in maize RIL population under different environments

2.3 玉米R(shí)IL群體籽粒相關(guān)性狀QTL定位

本研究在2 a不同環(huán)境下共檢測(cè)到14個(gè)與玉米百粒質(zhì)量、粒長和粒寬有關(guān)的QTL，分別位于玉米的第2、3、4、7 染色體上。其中，第4 染色體上檢測(cè)到的QTL 增效等位基因來源于D863F，其余QTL 的增效等位基因均來自于鄭58，單個(gè)QTL 表型貢獻(xiàn)率（Phenotypic variance explained，PVE）介于6.42%～13.41%(表4、圖3)。

2.3.1 百粒質(zhì)量QTL 定位 2 a 不同環(huán)境下共檢測(cè)到6 個(gè)控制玉米籽粒百粒質(zhì)量的QTL(表4、圖3)，且所有QTL 在2 a 不同環(huán)境下定位區(qū)間相同，表型貢獻(xiàn)率為6.47%～13.41%。其中，位于第2 染色體的q100KW2兩年的表型貢獻(xiàn)率均大于10%，為主效QTL。

2.3.2 粒長QTL 定位 2 a 不同環(huán)境下共檢測(cè)到3個(gè)控制玉米籽粒粒長的QTL(表4、圖3)，表型貢獻(xiàn)率為6.80%～7.92%。其中，QTLqKL7在2 a 不同環(huán)境下定位區(qū)間相同；2019 年檢測(cè)到的qKL4增效等位基因來源于D863F，表型貢獻(xiàn)率為7.92%。

2.3.3 粒寬QTL 定位 2 a 不同環(huán)境下共檢測(cè)到5個(gè)控制玉米籽粒粒寬的QTL(表4、圖3)，其中，QTLqKW3-1和qKW4在2 a 不同環(huán)境下定位區(qū)間相同。qKW3-1兩年的表型貢獻(xiàn)率分別為6.42%、7.06%，增效等位基因來源于鄭58；qKW4兩年的表型貢獻(xiàn)率分別為10.66%、8.90%，增效等位基因來源于D863F；2019 年檢測(cè)到的qKW3-2表型貢獻(xiàn)率為12.57%。

2.3.4 百粒質(zhì)量、粒長、粒寬QTL 共定位 2 a 不同環(huán)境條件下，在第4 染色體umc1891—mmc0371 區(qū)間內(nèi)同時(shí)檢測(cè)到控制百粒質(zhì)量、粒長和粒寬的QTLq100KW4、qKL4和qKW4，表型貢獻(xiàn)率最高達(dá)10.66%；在第7 染色體umc2333—umc1841 區(qū)間內(nèi)同時(shí)檢測(cè)到控制百粒質(zhì)量和粒長的QTLq100KW7和qKL7（表4、圖3）。

表4 玉米R(shí)IL 群體籽粒性狀相關(guān)QTLTab.4 QTLs related with kernel traits in maize RIL population

3 結(jié)論與討論

百粒質(zhì)量、粒長和粒寬是玉米產(chǎn)量主要構(gòu)成因素[12?13]。本研究結(jié)果表明，玉米籽粒的百粒質(zhì)量、粒長和粒寬性狀存在較大變異，2 a不同環(huán)境下百粒質(zhì)量與粒長、粒寬均呈極顯著正相關(guān)，表明粒寬和粒長是決定百粒質(zhì)量的重要因素。張偉強(qiáng)等[14]研究發(fā)現(xiàn)，百粒質(zhì)量與籽粒深度呈極顯著正相關(guān)；張向歌等[6]研究發(fā)現(xiàn)，百粒質(zhì)量與粒長呈顯著正相關(guān)，與粒寬呈正相關(guān)，這與本研究結(jié)果相似。因此，在玉米籽粒性狀改良過程中，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)三者的緊密相關(guān)性，重視對(duì)百粒質(zhì)量和粒寬/粒長的協(xié)同改良。

玉米籽粒相關(guān)性狀屬于多基因控制的數(shù)量性狀，解析其遺傳組成對(duì)玉米產(chǎn)量的提高具有重要意義[15]。本研究利用RIL 群體進(jìn)行玉米籽粒相關(guān)性狀的QTL 定位，共定位到14 個(gè)相關(guān)的QTL，包括6 個(gè)百粒質(zhì)量相關(guān)的QTL、3個(gè)粒長相關(guān)的QTL和5個(gè)粒寬相關(guān)的QTL。其中，在第4 染色體umc1891—mmc0371 區(qū)間定位到的控制百粒質(zhì)量的QTLq100KW4與PENG 等[16]定 位 的 百 粒 質(zhì) 量QTLQqkwei4一致，在第7 染色體umc2333—umc1841 區(qū)間定位到的控制百粒質(zhì)量QTLq100KW7與趙璞等[17]定位的百粒質(zhì)量QTLqkwb5一致。馬娟等[18]研究發(fā)現(xiàn)，玉米第4 染色體（bin4.03—bin4.05）包含控制百粒質(zhì)量、粒長和粒寬的熱點(diǎn)區(qū)域，江培順等[19]在第4（bin4.05）和第7（bin7.02）染色體也發(fā)現(xiàn)了影響粒質(zhì)量的一致性QTL，與本研究的定位結(jié)果一致，由此推測(cè)以上2 個(gè)百粒質(zhì)量QTL 可靠性較高，具有潛在的育種利用價(jià)值。位于第2染色體的控制百粒質(zhì)量的主效QTLq100KW2至今未見報(bào)道，是新發(fā)現(xiàn)的QTL，這為分子標(biāo)記輔助選擇育種及粒質(zhì)量改良提供了重要參考。

研究表明，相同或鄰近QTL 具有同時(shí)控制多個(gè)目標(biāo)性狀的效應(yīng)，這些定位區(qū)域內(nèi)可能存在不同性狀緊密連鎖的QTL 或者存在一因多效QTL[20?21]。本研究發(fā)現(xiàn)，在第4 染色體umc1891—mmc0371 區(qū)間同時(shí)檢測(cè)到控制百粒質(zhì)量、粒長和粒寬的QTL，在第7 染色體umc2333—umc1841 區(qū)間也同時(shí)檢測(cè)到控制百粒質(zhì)量和粒長的QTL，推測(cè)定位區(qū)間可能存在同時(shí)影響百粒質(zhì)量、粒長、粒寬或者百粒質(zhì)量、粒長從而影響玉米產(chǎn)量的主效基因。進(jìn)一步明確這些一因多效QTL 將為后續(xù)精細(xì)定位和挖掘高產(chǎn)基因奠定基礎(chǔ)。