玉米葉寬的QTL定位及全基因組選擇分析

陳占輝,孫 強(qiáng),任姣姣,黃博文,許加波,楊 杰,吳鵬昊

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,烏魯木齊 830052;2 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所 ,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】理想株型可以提高玉米種植密度和光合效率,是玉米高產(chǎn)的主要因素[1]。葉寬是玉米株型的主要性狀之一,對(duì)其進(jìn)行遺傳分析,對(duì)選育高產(chǎn)耐密玉米品種具有重要意義[2]。【前人研究進(jìn)展】Ku等[3]用玉米自交系Yu82和Shen137組配了含有229個(gè)家系的F2∶ 3群體,在第1、4、7和8號(hào)染色體上,共檢測(cè)到5個(gè)與葉寬相關(guān)的QTL,可以解釋34.13%的表型變異。唐登國(guó)[4]用208個(gè)分子標(biāo)記在B73和1212組配的325個(gè)重組自交系群體對(duì)葉片性狀進(jìn)行QTL定位,結(jié)果顯示控制葉寬的QTL大多在4、5、6和8號(hào)染色體上。張瑩瑩等[5]以鄭58和D863F構(gòu)建RIL群體,在5號(hào)和8號(hào)染色體上,定位到5個(gè)穗位葉寬QTL,單個(gè)QTL表型貢獻(xiàn)率8.35%～12.34%。張曠野[6]利用自交系掖478和齊319組配RIL群體,結(jié)合152個(gè)SSR標(biāo)記,對(duì)多環(huán)境下玉米穗位葉寬進(jìn)行QTL定位,發(fā)現(xiàn)20個(gè)QTL位點(diǎn),其中有7個(gè)主效QTL。王會(huì)濤等[7]以豫82和豫87-1為材料構(gòu)建RIL群體,共檢測(cè)到7個(gè)與玉米穗位葉寬相關(guān)的QTL,分布在第1、2、3、6、8和10號(hào)染色體上。全基因組選擇(genomic selection, GS)是利用訓(xùn)練群體的基因型和表型數(shù)據(jù)建模的一種育種手段,對(duì)只有基因型的育種群體進(jìn)行表型預(yù)測(cè)和選擇。常規(guī)育種基于性狀表型值,通過(guò)BLUP估算育種值(EBVs),而GS則通過(guò)全基因組中單個(gè)標(biāo)記效應(yīng)值的累加,獲得基因組估計(jì)育種值(GEBV)[8]。Bernardo[9]使用外國(guó)玉米與本地玉米雜交,組配多種群體進(jìn)行全基因組選擇,結(jié)果表明全基因組選擇應(yīng)該從F2群體開(kāi)始較為合適。Zhao等[10]使用6個(gè)家系的雙親后代群體進(jìn)行測(cè)交獲得表型值,結(jié)合SNP標(biāo)記進(jìn)行全基因組選擇,發(fā)現(xiàn)SNP標(biāo)記數(shù)量從100開(kāi)始逐漸上升后,預(yù)測(cè)精度也逐漸上升,標(biāo)記數(shù)量達(dá)到800個(gè)SNP后預(yù)測(cè)精度達(dá)到穩(wěn)定水平?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】雖然目前已經(jīng)定位到了控制玉米葉寬的QTL。但由于作圖群體、種植環(huán)境、遺傳標(biāo)記不同,檢測(cè)到的QTL一致性較差,所以挖掘在多環(huán)境下穩(wěn)定存在的QTL對(duì)分子標(biāo)記輔助選擇育種有重要意義[11-12]。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以鄭58和B73為親本構(gòu)建F2∶ 3作圖群體,在多環(huán)境下表型測(cè)量玉米穗位葉寬,采用液相48K探針捕獲技術(shù)進(jìn)行基因型檢測(cè),對(duì)玉米葉寬表型進(jìn)行QTL定位,獲得控制葉寬的主效QTL位點(diǎn),并對(duì)玉米葉寬性狀進(jìn)行全基因組選擇,分析標(biāo)記數(shù)目、訓(xùn)練群體的大小對(duì)全基因組選擇預(yù)測(cè)精度的影響,研究雙親群體全基因組選擇的規(guī)律,為玉米葉寬的全基因選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

玉米自交系B73和鄭58于2018年冬季在海南省樂(lè)東黎族自治縣實(shí)驗(yàn)站種植并雜交獲得F1,2019年夏季將F1種植于新疆昌吉市九圣禾實(shí)驗(yàn)站,并自交獲得F2,2019年冬季將F2在海南省樂(lè)東黎族自治縣實(shí)驗(yàn)站(以下簡(jiǎn)稱海南實(shí)驗(yàn)站)種植自交獲得200個(gè)F2∶ 3家系。將F2∶ 3家系于2020年夏季種植于新疆昌吉市九圣禾實(shí)驗(yàn)站(以下簡(jiǎn)稱九圣禾實(shí)驗(yàn)站)和新疆烏魯木齊市三坪實(shí)驗(yàn)站(以下簡(jiǎn)稱三坪實(shí)驗(yàn)站),2020年冬季種植在海南省樂(lè)東黎族自治縣實(shí)驗(yàn)站。每個(gè)地點(diǎn)設(shè)置2個(gè)重復(fù),采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),行長(zhǎng)3 m,株距0.25 m,行距0.67 m,單行區(qū)種植,田間管理同大田生產(chǎn)。在F2∶ 3群體玉米灌漿時(shí)期從每個(gè)小區(qū)的第5株開(kāi)始連續(xù)選取5株長(zhǎng)勢(shì)均衡的單株調(diào)查,用直尺測(cè)量穗位葉的最寬處。

1.2 方 法

1.2.1 表型數(shù)據(jù)

利用META-R軟件(http://hdl.handle.net/11529/10201)對(duì)3個(gè)環(huán)境下的穗位葉寬表型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,獲得最佳線性無(wú)偏估計(jì)值(Best Linear Unbiased Prediction BLUP),用于QTL定位和全基因組選擇分析。利用QTL IciMapping軟件AOV(ANOVA OF multi-environmental trials)功能進(jìn)行方差分析,計(jì)算遺傳力[13]:

H2=VG/(VG+VGE/e+Vε/re).

式中,H2代表廣義遺傳力,VG代表基因型方差,VGE代表基因環(huán)境相互作用方差,Vε代表誤差方差,e代表環(huán)境,r代表重復(fù)。

1.2.2 基因分型和連鎖圖譜構(gòu)建

在苗期對(duì)親本和F2群體葉片取樣,送至中玉金標(biāo)記(北京)生物技術(shù)股份有限公司,采用液相48K探針捕獲技術(shù)檢測(cè)基因型。使用Trimmomatic 0.36軟件過(guò)濾原始基因型數(shù)據(jù),獲得高質(zhì)量測(cè)序數(shù)據(jù),利用BWA軟件比對(duì)到B73_RefGen_v4_genomic參考基因組。通過(guò)GATK和vcftools軟件過(guò)濾數(shù)據(jù),過(guò)濾參數(shù)參考李宗澤[14],獲得62 504個(gè)SNP標(biāo)記用于全基因組選擇。對(duì)標(biāo)記多態(tài)性、標(biāo)記偏分離進(jìn)行過(guò)濾后,剩余25 610個(gè)SNP標(biāo)記,采用滑動(dòng)窗口法構(gòu)建Bin標(biāo)記,方法參考孫強(qiáng)[15],共獲得1 775個(gè)標(biāo)記,用于遺傳圖譜的構(gòu)建和QTL定位。

將SNP標(biāo)記根據(jù)物理位置進(jìn)行排序后導(dǎo)入QTL IciMapping軟件,選擇MAP功能進(jìn)行連鎖群的劃分及遺傳距離的確定,最終獲得總長(zhǎng)度為876.73 cM,相鄰標(biāo)記間的距離為0.49 cM的連鎖圖譜。

1.2.3 QTL定位

采用META-R軟件獲得的BLUP值作為表型值,使用QTL IciMapping 4.2軟件的BIP功能對(duì)三個(gè)環(huán)境下及聯(lián)合BLUP的穗位葉寬性狀進(jìn)行QTL定位,定位方法采用復(fù)合區(qū)間作圖加性模型(ICIM-ADD)。分子標(biāo)記之間每隔0.5 cM進(jìn)行一次全基因組掃描,窗口的設(shè)定為5 cM,將LOD值設(shè)定為2.5。以該位點(diǎn)的顯性效應(yīng)與加性效應(yīng)比值的絕對(duì)值作為顯性度,對(duì)QTL位點(diǎn)的遺傳作用方式進(jìn)行分類。顯性度在(0～0.20)區(qū)間則為加性(A);顯性度在(0.21～0.80)區(qū)間則為部分顯性(PD);顯性度在(0.81～1.20)則為顯性(D);當(dāng)顯性度大于1.20是表示超顯性(OD)[16]。

1.2.4 全基因組選擇

根據(jù)液相48K探針捕獲技術(shù)獲得的62 504個(gè)SNP標(biāo)記作為基因組,多環(huán)境的BLUP值作為表型值,使用R軟件RR-BLUP包對(duì)穗位葉寬性狀進(jìn)行全基因組選擇分析。采用k=5的K-fold交叉驗(yàn)證進(jìn)行比較,隨機(jī)選取群體的20%作為預(yù)測(cè)群體,剩下的80%作為訓(xùn)練群體,進(jìn)行全基因組選擇,全基因組選擇預(yù)測(cè)精度通過(guò)預(yù)測(cè)群體的真實(shí)育種值與全基因組估計(jì)育種值間的相關(guān)系數(shù)計(jì)算,重復(fù)100次。

SNP標(biāo)記個(gè)數(shù)設(shè)定為10、30、50、100、300、500、1 000、3 000、5 000、10 000和50 000個(gè),采用五折交叉驗(yàn)證方法,每個(gè)標(biāo)記密度進(jìn)行100次全基因組選擇,研究標(biāo)記數(shù)目對(duì)全基因組選擇預(yù)測(cè)精度的影響。訓(xùn)練群體大小設(shè)定為總?cè)后w的10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%,剩余群體為預(yù)測(cè)群體,采用全部62 504個(gè)SNP標(biāo)記,每個(gè)訓(xùn)練群體大小進(jìn)行100次全基因組選擇。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米葉寬表型數(shù)據(jù)

研究表明,B73葉寬的均值為9.04 cm,最小值為7.82 cm,最大值為10.32 cm;鄭58葉寬的均值為8.02 cm,最小值為6.97 cm,最大值為8.89 cm。鄭58葉寬比B73葉寬窄,存在極顯著差異,組配的F2∶ 3家系可以用于玉米葉寬的遺傳解析。海南實(shí)驗(yàn)站、九圣禾實(shí)驗(yàn)站、三坪實(shí)驗(yàn)站及3個(gè)環(huán)境聯(lián)合葉寬平均值分別為8.68、8.04、7.24和8.00 cm。3個(gè)地點(diǎn)玉米葉寬都表現(xiàn)出了廣泛的變異,其中九圣禾實(shí)驗(yàn)站的變異幅度最大,變幅為1.76,標(biāo)準(zhǔn)差為0.31;海南實(shí)驗(yàn)站的變異幅度最小,變幅為0.27,標(biāo)準(zhǔn)差為0.06。葉寬在3個(gè)環(huán)境下的偏度和峰度的絕對(duì)值均小于1,F2∶ 3家系的葉寬符合正態(tài)分布。圖1,表1

圖1 親本葉寬箱形圖

2.2 玉米葉寬方差

研究表明,環(huán)境、基因型和環(huán)境與基因型互作各個(gè)組分的P值均小于0.01,環(huán)境、基因型和環(huán)境與基因型互作對(duì)玉米葉寬表型均有極顯著影響。葉寬的遺傳力為0.39,遺傳力較低。表2

表1 親本和F2∶ 3家系葉寬的描述性統(tǒng)計(jì)

2.3 玉米葉寬QTL定位

研究表明,共檢測(cè)到12個(gè)控制穗位葉寬的QTL位點(diǎn),在第1、3、4、5、8和10號(hào)染色體上均有分布。在海南環(huán)境中定位到4個(gè)QTL,分別位于第1、3、5和8號(hào)染色體,表型貢獻(xiàn)率為4.41%～16.17%。其中位于5號(hào)染色體的qew5-1表型貢獻(xiàn)率為16.17%,是主效QTL位點(diǎn)。三坪環(huán)境中定位到2個(gè)QTLqew1-2和qew4-1,分別在第1和4號(hào)染色體上,分別解釋表型變異為5.88%和10.63%。在九圣禾環(huán)境中定位到1個(gè)QTLqew8-2,位于第8號(hào)染色體上,表型貢獻(xiàn)率為6.28%。定位到5個(gè)QTL,分布在第1、3、4、5和10號(hào)染色體上,單個(gè)QTL表型貢獻(xiàn)率為3.75%～13.18%。其中在海南檢測(cè)到的qew1-1和聯(lián)合分析檢測(cè)到的qew1-3是同一個(gè)位點(diǎn),位于bin 1.06,LOD值分別為2.73和4.02,表型貢獻(xiàn)率分別為5.04%和5.47%。在海南檢測(cè)到的bin 5.01的qew5-1和聯(lián)合分析檢測(cè)到的qew5-2是同一個(gè)位點(diǎn),位于bin 5.01,LOD值分別為8.06和9.08,表型貢獻(xiàn)率分別為16.17%和13.18%,是控制葉寬的主效QTL位點(diǎn)。qew1-1(qew1-3)和qew5-1(qew5-2)是多環(huán)境穩(wěn)定存在的控制葉寬的QTL。

有7個(gè)位點(diǎn)qew3-1、qew5-1、qew1-2、qew1-3、qew3-2、qew5-2和qew10-1呈現(xiàn)加性效應(yīng),有兩個(gè)位點(diǎn)qew1-1和qew4-3表現(xiàn)為部分顯性,有一個(gè)位點(diǎn)qew4-1表現(xiàn)為完全顯性,有兩個(gè)位點(diǎn)qew8-1和qew8-2表現(xiàn)為超顯性。玉米穗位葉寬的作用方式以加性效應(yīng)為主,還有部分表現(xiàn)為不同程度的顯性。表3

表2 F2∶ 3家系葉寬方差和廣義遺傳力

2.4 玉米葉寬的全基因組選擇

研究表明,對(duì)玉米F2群體的葉寬性狀進(jìn)行全基因組選擇,預(yù)測(cè)精度僅為0.34。

當(dāng)使用10、30、50、100、300個(gè)SNP標(biāo)記對(duì)葉寬進(jìn)行全基因組選擇分析時(shí),葉寬的預(yù)測(cè)精度分別在0.12、0.19、0.22、0.25、0.28附近均勻分布,葉寬預(yù)測(cè)精度分別提升了0.07、0.03、0.03、0.03。標(biāo)記數(shù)目從300增加到50 000時(shí),葉寬的預(yù)測(cè)精都在0.28處附近均勻分布,前后差異不明顯。在雙親后代群體中,使用300個(gè)SNP標(biāo)記進(jìn)行全基因組選擇可以得到比較好的預(yù)測(cè)精度。圖2

圖2 F2群體不同訓(xùn)練群體大小玉米葉寬全基因組預(yù)測(cè)精度

當(dāng)訓(xùn)練群體大小為總?cè)后w的10%時(shí)對(duì)葉寬進(jìn)行全基因組選擇分析,葉寬的預(yù)測(cè)精度在0.15上下均勻分布;當(dāng)訓(xùn)練群體大小為20%時(shí),葉寬的預(yù)測(cè)精度在0.21上下均勻分布;當(dāng)訓(xùn)練群體大小為30%時(shí),葉寬的預(yù)測(cè)精度均在0.24附近均勻分布;當(dāng)訓(xùn)練群體大小為40%時(shí),葉寬的預(yù)測(cè)精度均在0.27附近均勻分布;當(dāng)訓(xùn)練群體大小上升到50%時(shí),葉寬的預(yù)測(cè)精度在0.29附近均勻分布;之后當(dāng)繼續(xù)增大訓(xùn)練群體時(shí),葉寬的預(yù)測(cè)精度始終在0.29附近均勻分布,變異范圍逐漸增大。當(dāng)訓(xùn)練群體大小為總?cè)后w的50%時(shí)進(jìn)行全基因組選擇。圖3

圖3 F2群體不同SNP個(gè)數(shù)玉米葉寬全基因組預(yù)測(cè)精度

表3 F2∶ 3 家系玉米葉寬的QTL定位結(jié)果

3 討 論

通過(guò)穗位葉葉寬存在顯著差異的親本鄭58和B73及其構(gòu)建的F2∶ 3家系,對(duì)玉米穗位葉葉寬進(jìn)行遺傳分析,該性狀遺傳力僅為0.39,受到環(huán)境、基因型、環(huán)境與基因型互作顯著影響,在育種時(shí)可以選擇在較晚世代對(duì)葉寬進(jìn)行選擇。該結(jié)果與前人結(jié)果相似,趙小強(qiáng)等[12]在不同水分環(huán)境處理下F2∶ 3群體(POP2-2R1)發(fā)現(xiàn)穗位葉寬遺傳力僅為0.36,且受到環(huán)境、基因型、環(huán)境與基因型互作顯著影響。趙文明[17]以豫82和沈137為親本構(gòu)建F2∶ 3家系群體,發(fā)現(xiàn)葉寬的遺傳力較低為0.55。相對(duì)于分子標(biāo)記輔助選擇,可以對(duì)葉寬性狀進(jìn)行全基因組選擇育種。

研究在不同環(huán)境下共定位到12個(gè)與葉寬有關(guān)的QTL。其中qew5-1、qew4-1和qew5-2是主效QTL,表型貢獻(xiàn)率分別為16.17%、10.63%和13.18%。其中qew1-1與qew5-1是多環(huán)境下穩(wěn)定遺傳的位點(diǎn),分別位于1號(hào)和5號(hào)染色體。

唐登國(guó)[4]利用自交系B73和1212構(gòu)建的325個(gè)重組自交系群體,采用完備區(qū)間作圖法對(duì)葉寬進(jìn)行QTL定位,定位到qLW1-5a和qLW1-5b定位區(qū)間為bin 5.01,與研究所定位qew5-1區(qū)間一致。文獻(xiàn)[18]使用Yu82X9 D132組建RIL群體結(jié)合1 226個(gè)SNP標(biāo)記在3種環(huán)境中進(jìn)行QTL定位,定位到qLW8定位區(qū)間為bin 8.02和試驗(yàn)所定位到的qew8-1的定位區(qū)間一致。張瑩瑩等[5]在5號(hào)染色體與8號(hào)染色體上共定位到5個(gè)穗位葉QTL,其中在8號(hào)染色體中定位到的qSecLW1-8在bin 8.05定位區(qū)間內(nèi),和研究的qew8-2的定位區(qū)間相近。鄭祖平等[19]用自交系Mo17與黃早四構(gòu)建的RIL定位群體,定位到qWL4-1、qWL4-2和qWL10-1分別位于bin 4.08、bin 4.09和bin 10.07定位區(qū)間內(nèi),與試驗(yàn)qew4-1、qew4-2和qew10-1的定位區(qū)間一致。共定位到的QTL是穩(wěn)定QTL,可以用于精細(xì)定位和基因克隆,研究定位結(jié)果的可靠。試驗(yàn)中,qew1-1屬于微效新QTL位點(diǎn),為葉寬遺傳育種提供了新的變異位點(diǎn)。研究結(jié)果表明葉寬是由多個(gè)位點(diǎn)控制,以加性效應(yīng)為主。

葉寬全基因組選擇預(yù)測(cè)精度較低為0.34,這可能與葉寬遺傳力低有關(guān)。研究訓(xùn)練群體大小和標(biāo)記個(gè)數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)精度影響時(shí),隨著訓(xùn)練群體和標(biāo)記數(shù)量的增大,預(yù)測(cè)精度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后趨于平緩的趨勢(shì)。當(dāng)訓(xùn)練群體占總?cè)后w的50%,標(biāo)記數(shù)量為300時(shí),便可以得到較高的預(yù)測(cè)精度,該結(jié)果與文獻(xiàn)[20-21]的結(jié)果相似,在DH群體的普通銹病進(jìn)行全基因組選擇研究時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著訓(xùn)練群體的增大、標(biāo)記數(shù)量的增多,預(yù)測(cè)精度呈現(xiàn)先上升再平緩的趨勢(shì),當(dāng)訓(xùn)練群體占總?cè)后w的50%、標(biāo)記個(gè)數(shù)為300時(shí),預(yù)測(cè)結(jié)果較好。進(jìn)行全基因組選擇時(shí),標(biāo)記個(gè)數(shù)取決于群體的連鎖不平衡值,連鎖不平衡值越高,需要的標(biāo)記數(shù)越少。

4 結(jié) 論

4.1玉米穗位葉寬受環(huán)境、基因型、環(huán)境與基因型互作顯著影響。葉寬遺傳力為0.39,遺傳力較低,在育種時(shí)可以在較晚世代進(jìn)行選擇。

4.2共檢測(cè)到12個(gè)影響玉米穗位葉寬的QTL位點(diǎn),分布在第1、3、4、5、8和10號(hào)染色體上,得到了2個(gè)多環(huán)境下穩(wěn)定遺傳的QTL位點(diǎn),分別位于bin 1.06、bin 5.01,其中bin 5.01的QTL為主效位點(diǎn),平均PVE為14.68%。

4.3在雙親后代群體中,當(dāng)訓(xùn)練群體比例占到群體基因型總數(shù)的50%、分子標(biāo)記的個(gè)數(shù)到達(dá)300時(shí),預(yù)測(cè)精度就可以到達(dá)相對(duì)較高的水平。