甜玉米種質(zhì)資源種子性狀全基因組關(guān)聯(lián)分析

徐運林 房浩 周柏宇 易月明 王長進 程昕昕 余海兵

摘要：?粒長、粒寬、粒厚、百粒質(zhì)量是影響玉米籽粒產(chǎn)量的重要性狀，本研究主要統(tǒng)計分析了100份甜玉米種質(zhì)資源的粒長、粒寬、粒厚和百粒質(zhì)量等4個種子性狀，并利用37 297個單核苷酸多態(tài)性（SNP）標記位點關(guān)聯(lián)分析了控制甜玉米種子性狀的重要位點。結(jié)果表明，100份甜玉米種質(zhì)資源種子性狀具有豐富的遺傳多樣性，性狀變異幅度比較大，其中粒長為4.65～10.43 mm，粒寬為5.13～9.42 mm，粒厚為2.04～7.50 mm，百粒質(zhì)量為4.51～20.09 g;表型變異分析發(fā)現(xiàn)，百粒質(zhì)量的變異系數(shù)最大，為32.60%，粒寬的變異系數(shù)最小，為10.61%，且4個籽粒性狀的頻率分布曲線基本符合正態(tài)分布。相關(guān)性分析結(jié)果表明，粒長、粒寬、粒厚與百粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)，粒長與粒厚呈極顯著負相關(guān)。全基因組關(guān)聯(lián)分析共檢測到控制4個種子性狀的75個SNP標記位點，其中有17個SNP標記位點與粒長性狀有關(guān)，24個SNP標記位點與粒寬性狀有關(guān)，11個SNP標記位點與粒厚性狀有關(guān)，23個SNP標記位點與百粒質(zhì)量性狀有關(guān)。

關(guān)鍵詞：?甜玉米;籽粒性狀;單核苷酸多態(tài)性（SNP）;全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）

中圖分類號：?S330;S513??文獻標識碼：?A??文章編號：?1000-4440（2021）02-0289-07

Abstract：?The grain length， grain width， grain thickness and hundred-grain weight are important traits affecting the yield of maize.?Four characters of seeds such as grain length， grain width， grain thickness and hundred-grain weight of 100 germplasm resources of sweet maize were summarized and analyzed in this study， and 37 297 single nucleotide polymorphism （SNP） loci were used to make correlation analysis on the important loci controlling the grain traits of sweet maize.?The results showed that the grain traits of 100 germplasm resources of sweet maize had abundant genetic diversity with a relatively large variation range.?The grain length was 4.65-10.43 mm， the grain width was 5.13-9.42 mm， the grain thickness was 2.04-7.50 mm and the hundred-grain weight was 4.51-20.09 g.?Analysis on the phenotypic variation revealed that， the variable coefficient of the hundred-grain weight was the highest， with a value of 32.60%， and the variable coefficient of the grain width was the lowest， with a value of 10.61%.?The distribution curves of frequencies of four grain traits were basically conformed to normal distribution.?Results of correlation analysis showed that， the grain length， grain width and grain thickness were positively correlated with the hundred-grain weight very significantly， the grain length was negatively correlated with the grain thickness very significantly.?A total of 75 SNP loci controlling the traits of four seeds were detected through genome-wide association study.?Among the 75 SNP loci， 17 SNP loci were related with the grain length， 24 SNP loci were related with the grain width， 11 SNP loci were related with the grain thickness and 23 SNP loci were related with the hundred-grain weight.

Key words：?sweet maize;grain traits;single nucleotide polymorphism（SNP）;genome-wide association study（GWAS）

甜玉米（Sweet corn）是一種重要的果蔬作物，又稱甜質(zhì)型玉米 （Zea mays），其籽粒中含有較高含量的水溶性多糖、粗脂肪、淀粉、多種游離氨基酸和維生素[1]，主要是由胚乳中su1、su2、sh1、sh2、sh4等控制糖分的基因發(fā)生突變獲得的材料[2]。

種質(zhì)資源是研究生物遺傳的重要材料，利用種質(zhì)資源多樣性，可使群體內(nèi)有更多的重組交換，創(chuàng)造新的種質(zhì)類型，進而在分子水平上精確定位，也可檢測多個目標性狀和等位基因，為后續(xù)的育種工作提供研究基礎(chǔ)[3-5]。關(guān)聯(lián)分析以連鎖不平衡為基礎(chǔ)，將變異基因整合到一起，可分為全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）和候選基因關(guān)聯(lián)分析[6]。全基因組關(guān)聯(lián)研究指用一定數(shù)目的單核苷酸多態(tài)性（SNP）分子標記對目標群體中的各個試驗材料進行全基因組范圍內(nèi)的檢測分析，再用相關(guān)軟件對分子標記多態(tài)性和表型性狀的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，從而得到與表型性狀變異相關(guān)聯(lián)的分子標記[7]。近年來，GWAS分析已在水稻[8]、亞麻[9]、小麥[10]、大麥[11]等作物上得到廣泛應(yīng)用。

SNP（Single nucleotide polymorphism）即單核苷酸多態(tài)性，主要是指基因組上單個核苷酸發(fā)生的突變 [5]。SNP以較高的遺傳穩(wěn)定性、數(shù)量大、代表性強、易于實現(xiàn)自動化分析以及性價比高的特點迅速替代SSR成為新一代分子標記。史亞興等[12]利用1 031個SNP標記將39份甜玉米自交系劃分為5個類群;Bel等[13]利用8 590個SNP標記定位到控制玉米籽粒脂肪酸含量的候選基因fad2;2013年，Yang等[14]利用527份玉米自交系關(guān)聯(lián)定位到控制玉米籽粒油分的74個顯著位點;Rashid等[15]利用368個玉米自交系關(guān)聯(lián)定位到高粱霜霉病的26個SNP位點。而有關(guān)甜玉米種子粒型性狀關(guān)聯(lián)分析的研究鮮見報道，因此，本研究利用安徽科技學院玉米工程技術(shù)研究中心100份甜玉米種質(zhì)資源統(tǒng)計分析粒長、粒寬、粒厚和百粒質(zhì)量4個性狀，并利用37 297個SNP分子標記進行GWAS分析，為解析控制甜玉米種子性狀的位點提供理論支持。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

本研究主要采用2018年、2019年安徽科技學院鳳陽校區(qū)雷達山實驗基地所種植的100份甜玉米自交系育種資源進行試驗。100份甜玉米材料為M610（紅）、F91GT8-4-1、14T4、F910GT8-4-1/Q267、1029黑-1-2-3、泰鮮泰-1、MS10-1、Q8（父）、3102（母）、YNT48、YNT6-2、9357、 Q7（母）、15NKY238、圣甜169-2、宮玉甜7號-3、15美玉甜007、FPT161、3174、YNT7-1（白）、斯達甜221-1、云甜王9號-10、YNT11、上海T、YNT50-2、YNT19-2、E134（白）、金甜2號（母）、秦甜98-4、MS9-1、F910GT8-4-1、E52（白）、E66-2、16粵甜16號、15HT0213X夏王、A38-11、16H滬甜2號、晶甜-1-1、E46-1、12HT022、TBF3109、E36、云南玉9號-4、16筑甜213、筑甜213-親、BF2101（白）、E27-2、夏王（母）、廣（甜糯）07、Q11（母）、Q10（父）、15白甜-1-1、T18（母）、E23-1、HT060、FT11、SH-X、T20嘉（母）、16黃T、M610（黃）、14花甜、YW1602、尖葉團粒、FT4、XSJD10、廣甜（）-2-2、黑CSB（母）、16HT01（父）、金甜2號（父）、黃甜-21-8、Q267、HT2、T16（母）、奧弗蘭（SO）、引外甜、3176、BF3109、14WTX10、仲鮮甜-2、628（父）、夏王（父）、GS1-1、1048、19FT135、夏王（母）、TB010-3、廣甜2號、T358（母）、14ATQT、T4、12HT00-1-黑、華珍（母）、2497黃、F910GT8-4-1/Q267、12HT073-4-1（黃）、12HT073-2、Q267/夏王、14T2-1、廣甜（父）、粉紅甜-1-2。

1.2?試驗方法

1.2.1?測定方法?在甜玉米自交系果穗吐絲前進行套袋，抽雄散粉后人工輔助授粉，待成熟后，收獲，曬干，脫粒，取3個果穗中部種子混合備用，分別稱量其種子的百粒質(zhì)量，設(shè)置3次重復，再從中各取20粒大小、形狀相似，健康飽滿的種子，測量粒長、粒寬、粒厚（使用游標卡尺），最后以每次重復的平均值作為所調(diào)查籽粒性狀的值。

1.2.2?表型變異分析和相關(guān)性分析?利用SPSS Statistics 22統(tǒng)計分析軟件和Excel 2016統(tǒng)計分析100份甜玉米自交系的粒長、粒寬、粒厚和百粒質(zhì)量4個種子性狀，計算最大值、最小值、平均數(shù)、標準差、變異系數(shù)，繪制正態(tài)分布圖，并對4個性狀進行相關(guān)性分析。

1.2.3?全基因組關(guān)聯(lián)分析?采用TASSEL 2.1軟件中的一般線性模型（Q，GLM），分別對4個種子性狀進行全基因組關(guān)聯(lián)分析，推斷出SNP標記與各個性狀之間存在的關(guān)聯(lián)性。

2?結(jié)果與分析

2.1?100份甜玉米材料的群體結(jié)構(gòu)分析

選取過濾后的SNP標記進行群體結(jié)構(gòu)分析（圖1）發(fā)現(xiàn)：當K為2時，對應(yīng)的△K最大，然后△K迅速下降并趨于平緩，因此可以將這100份甜玉米材料劃分為2個亞群，其中亞群1包括92份種質(zhì)，亞群2包括8份種質(zhì)。

2.2?表型變異分析

從表1可知，100份甜玉米種子的粒長、粒寬、粒厚和百粒質(zhì)量等4個性狀的差異比較大，其中粒長的變幅為4.65～10.43 mm，均值為7.87 mm，標準差為1.22 mm;粒寬的變幅為5.13～9.42 mm，標準差為0.79 mm;粒厚的變幅為2.04～7.50 mm，標準差為0.93 mm;百粒質(zhì)量的變幅為4.51～20.09 g，標準差為3.12 g;百粒質(zhì)量的變異系數(shù)最大（32.60%），粒寬的變異系數(shù)最?。?0.61%）。從圖2來看，4個性狀的頻率分布曲線基本符合正態(tài)分布，表現(xiàn)出數(shù)量性狀特征，說明粒長、粒寬、粒厚和百粒質(zhì)量的遺傳受多基因控制，進一步表明100份甜玉米自交系具有較豐富的遺傳多樣性，可為甜玉米育種提供豐富的親本材料。

2.3?相關(guān)性分析

100份甜玉米自交系種子的粒長、粒寬、粒厚和百粒質(zhì)量等性狀的皮爾遜相關(guān)性分析結(jié)果表明，百粒質(zhì)量與粒長、粒寬、粒厚均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，粒長與粒厚表現(xiàn)為極顯著負相關(guān)，粒長、粒厚與粒寬的相關(guān)性均不顯著（表2）。

2.4?關(guān)聯(lián)分析

通過對甜玉米56 000個SNP標記中連鎖不平衡強度較高（R2>0.3）的標記進行過濾，得到了37 297個SNP位點，共檢測到75個與粒長、粒寬、粒厚和百粒質(zhì)量有關(guān)的顯著位點，其中控制粒長的有17個顯著關(guān)聯(lián)位點，控制粒寬的有24個顯著關(guān)聯(lián)位點，控制粒厚的有11個顯著關(guān)聯(lián)位點，控制百粒質(zhì)量的有23個顯著關(guān)聯(lián)位點。

2.4.1?粒長?如表3所示，在-lgP>3水平下，利用GLM-Q方法分析得出位于甜玉米1、3、4、8、10號染色體上的17個SNP位點與粒長性狀顯著關(guān)聯(lián)，其中在-lgP>5水平下，位于1號染色體上第19 611 619個堿基上的Affx-11533是與粒長性狀極顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點，貢獻率最大，為25.49%。

2.4.2?粒寬?如表4所示，利用GLM-Q方法在-lgP>3水平的GWAS分析結(jié)果表明，24個SNP位點與粒寬性狀相關(guān)聯(lián)，分別位于第1、2、3、4、5、8、9、10號染色體上。其中在-lgP>4水平下，位于1號染色體上第244 631 581、289 538 157個堿基上的Affx-91280、Affx-11533的2個SNP位點與粒寬性狀極顯著關(guān)聯(lián)，貢獻率分別為18.46%、17.39%。

2.4.3?粒厚?如表5所示， 在-lgP>5水平的GWAS分析結(jié)果表明，11個SNP位點與粒厚性狀相關(guān)聯(lián)，分別位于第2、3、4、10號染色體上，其中在-lgP>6水平下，檢測到5個SNP位點與粒厚性狀極顯著相關(guān)，分別位于3號染色體上第140 868 078、88 384 601、140 285 367、57 762 013個堿基上的Affx-90839、Affx-90505、Affx-90178、Affx-90075處和第4號染色體第200 963 685堿基上的Affx-90110，貢獻率分別為27.97%、27.53%、25.79%、25.36%和 25.37%。

2.4.4?百粒質(zhì)量?如表6所示，在-lgP>4水平下，利用GLM-Q方法分析得出23個SNP位點與百粒質(zhì)量性狀相關(guān)聯(lián)，分別位于甜玉米的第2、3、4、6、7、8、9號染色體上，其中位于7號染色體上第129 236 674、123 110 014、149 940 420個堿基上的Affx-90265、Affx-91170、Affx-90113 3個SNP位點與百粒質(zhì)量性狀極顯著相關(guān)，貢獻率分別為25.27%、24.77%、22.13%。

3?討論

3.1?100份甜玉米種質(zhì)資源4個籽粒性狀的表型變異分析和相關(guān)性分析

李用財[16]的研究結(jié)果表明，玉米產(chǎn)量與百粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)，即通過提高百粒質(zhì)量可以有效提高玉米產(chǎn)量;李春雨[1]研究得出133份甜玉米自交系百粒質(zhì)量的均值為26.31 g，變幅為13.28～45.12 g。本研究結(jié)果表明，100份甜玉米種質(zhì)資源種子4個性狀分布曲線基本符合正態(tài)分布，表現(xiàn)出數(shù)量性狀特征，說明粒長、粒寬、粒厚和百粒質(zhì)量4個籽粒性狀的遺傳受多基因控制。相關(guān)性分析結(jié)果表明，甜玉米粒長、粒寬、粒厚與百粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān);粒長與粒厚呈極顯著負相關(guān)，與粒寬無顯著相關(guān)性;粒寬與粒厚無顯著相關(guān)性。因此，100份甜玉米自交系4個籽粒性狀間差異較大，具有較豐富的遺傳多樣性，可為甜玉米育種提供豐富的親本材料。

3.2?100份甜玉米種質(zhì)資源4個種子性狀的全基因組關(guān)聯(lián)分析

前期一些學者們利用SNP位點得出控制小麥、水稻、玉米等主要作物粒型的主要位點[17-20]，其中，趙檀[17]檢測到9個與小麥百粒質(zhì)量相關(guān)聯(lián)的位點，F(xiàn)ang等[19]檢測到8個與水稻粒型相關(guān)聯(lián)的位點，Hu等[20]對282份玉米自交系用2 271 584個SNP標記檢測到17個耐冷性遺傳位點，李春雨[1]用一般線性模型（GLM）和混合線性模型（MLM）檢測到位于第1、5和7號染色體上的9個與百粒質(zhì)量相關(guān)聯(lián)的SNP標記位點。楊寧[5]檢測到9個與玉米粒寬性狀相關(guān)聯(lián)的SNP標記位點。本研究經(jīng)GWAS分析共獲得75個控制甜玉米種子性狀的SNP標記位點，其中控制粒長的SNP標記位點有17個，控制粒寬的SNP標記位點有24個，控制粒厚的SNP標記位點有11個，控制百粒質(zhì)量的SNP標記位點有23個， 在候選區(qū)間內(nèi)共有231個基因，找到96個候選基因參與玉米種子生長發(fā)育，這些基因主要與玉米赤霉素（GAs）、生長素（IAA）、油菜素內(nèi)酯（BRs）的生物合成和信號轉(zhuǎn)導途徑有關(guān)。

參考文獻：

[1]?李春雨.利用染色體片段代換系及關(guān)聯(lián)群體鑒定甜玉米產(chǎn)量性狀遺傳位點[D].廣州：華南農(nóng)業(yè)大學，2018.

[2]?CHENG X X，XIONG F， WANG C J， et al.Seed reserve utilization and hydrolytic enzyme activities in germinating seeds of sweet corn[J]. Pakistan Journal of Botany，2018， 50（1）：111-116.

[3]?張秀榮.花生關(guān)聯(lián)分析群體構(gòu)建及抗旱相關(guān)分子標記研究[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學，2017.

[4]?唐富福. 水稻農(nóng)藝和品質(zhì)若干性狀的全基因組初步關(guān)聯(lián)分析[D]. 杭州：浙江大學， 2013.

[5]?楊?寧.玉米17個農(nóng)藝性狀的全基因組關(guān)聯(lián)分析及Mo17和大芻草基因組組裝[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學，2016.

[6]?向星潔.基于候選基因標記的香菇重要農(nóng)藝性狀關(guān)聯(lián)分析[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學，2015.

[7]?李桂冬.小麥3個重要農(nóng)藝性狀的SSR標記全基因組關(guān)聯(lián)分析[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2015.

[8]?侯青青，司麗珍，黃學輝，等. 水稻復雜性狀研究的新途徑：水稻重要農(nóng)藝性狀全基因組關(guān)聯(lián)分析[J].生命科學，2016，28（10）：1250-1257.

[9]?BRAULIO J， SOTO C， FEMANDO W， et al. Assessing the agronomic potential of linseed genotypes by multivariate analyses and association mapping of agronomic traits[J].Euphytica，2014（5）：35-49.

[10]WANG G， JEFFREY M， LEONARDJ Z， et al. Marker-trait association analysis of kernel hardness and related agronomic traits in a core collection of wheat lines[J].Molecular Breeding， 2014， 177-184.

[11]張?綿. 西藏野生大麥干旱耐性基因等位多態(tài)性分析及相關(guān)基因的功能鑒定[D].杭州：浙江大學，2017.

[12]史亞興，盧柏山，宋?偉，等. 基于SNP標記技術(shù)的糯玉米種質(zhì)遺傳多樣性分析[J]. 華北農(nóng)學報， 2015，30（3）：77-82.

[13]BEL A， ZHENG P， LUCK S， et al. Whole genome scan detects an allelic variant of fad2 associated with increased oleic acid levels in maize[J]. Mol Geneet Genomics， 2008， 279：1-10.

[14]YANG Q， LI Z， LI W Q， et al. CACTA-like transposable element in ZmCCT attenuated photoperiod sensitivity and accelerated the postdomestication spread of maize[J]. Proc Natl Acad Sci USA， 2013， 110：16969-16974.

[15]RASHID Z， SINGH P K， VEMURI H， et al. Genome-wide association study in Asia-adapted tropical maize reveals novel and explored genomic regions for sorghum downy mildew resistance[J].Scientific Reports， 2018（8）：366.

[16]李用財. 東北中熟玉米雜交組合主要農(nóng)藝性狀鑒定[D].哈爾濱：黑龍江大學，2018.

[17]趙?檀. 河北省小麥品種遺傳多樣性及主要農(nóng)藝性狀的關(guān)聯(lián)分析[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學，2014.

[18]么大軒，張?彬，劉松濤，等.基于SNP和SSR對甜玉米種質(zhì)遺傳多樣性的評價[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2019，47（7）：45-50.

[19]FANG C， XING Y， MAO H， et al. GS3，a major QTL for grain length and weight and minor QTL for grain width and thickness in rice，encodes a putative transnenbrane protein[J].Theoretical & Applied Genetics，2006，112（6）：1164-1171.

[20]HU G， ZHAO L， LU Y， et al. Genome wide association study identified multiple genetic loci on chilling resistance during germination in maize[J].Scientific Reports， 2017， 7（1）：10840.

（責任編輯：陳海霞）