基于SNP標記的玉米雄穗主要性狀QTL定位分析

賈 波，崔 敏，謝慶春，嚴衛古，印志同*

(1.江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所，江蘇 淮安 223001；2.揚州大學農學院，江蘇 揚州 225009；3.江蘇省區域現代農業與環境保護協同創新中心，江蘇 淮安 223300)

【研究意義】雄穗性狀是玉米生長發育過程中重要的農藝性狀[1-2]，雌雄穗之間存在著一定的競爭，較小的雄穗有利于減少植株養分消耗，增加群體通風透光性，提高光合作用效率，進而提高玉米產量[3-4]。美國先鋒公司近年來玉米品種的雄穗呈現著逐漸減小的趨勢。劉元芝等[5]研究表明，在不追施氮肥的條件下，雄穗分枝數和雄穗重量與籽粒產量間呈顯著負相關；在追施氮肥的條件下，雄穗分枝數與籽粒產量間呈顯著負相關。但是從保存玉米種質資源、提高雜交制種產量以及保證逆境條件下高產穩產等角度考慮，又需要雄穗具有足夠的小穗數和花粉量，以滿足植株授粉的需要[6]。因此，合理的雄穗結構對于玉米生產的穩定發展具有重要的現實意義。【前人研究進展】近年來，科研人員對玉米雄穗性狀的遺傳特性展開了多方面研究。霍仕平[7]研究表明，除分枝數符合加性、顯性遺傳模型外，其余性狀的遺傳均可配合加性、顯性、上位性模型。豐光等研究認為，玉米雄穗分枝性狀遺傳為多基因數量性狀控制，且符合加性-顯性-上位性多基因遺傳模型，顯性效應起主要作用，多基因遺傳力較高。湯華等[8]利用豫玉22構建的266個玉米F2∶3家系為材料，檢測到9個雄穗分枝數QTL，有5個QTL在兩地同時被檢測到，分布在1、3、9和10號染色體上，可解釋表型變異的5.13%～12.01%。Upadyayula 等[9]研究發現2個雄穗分枝數和4個雄穗重相關的QTL。劉軍霞等[10]以掖488×Va35-2 構建的230個F2∶3家系為作圖群體，在2個環境下共檢測到7個雄穗分枝數QTL和8個雄穗主軸長QTL，分別位于第1、2、3、4、5、6、7、9 和10號染色體上，且單個QTL的表型貢獻率介于3.38%～17.01%之間。白成銀[11]以玉米單天花突變材料與常規材料構建回交群體及回交家系群體，共檢測到7個QTL，分別分布于2、3、5、7染色體上。楊釗釗等[12]以黃早四為共同親本組配的11個重組自交系群體，對玉米雄穗一級分枝數、雄穗主軸長和雄穗干重3個性狀進行QTL分析，對比不同群體結果發現，只檢測到5個在3個群體中穩定表達的一致性QTL及16個在2個群體中穩定表達的一致性QTL。雄穗主要性狀是多基因控制的數量性狀，易受環境及遺傳材料的影響，不同的研究人員定位結果往往存在著一定的差異，并且大多數研究人員構建的遺傳連鎖圖譜平均圖距較大，定位的精度不高，遠遠達不到標記輔助選擇的要求。【本研究切入點】本試驗應用SNP標記構建高密度遺傳連鎖圖譜，對玉米雄穗分枝數、雄穗長、雄穗重等雄穗主要性狀進行QTL定位。【擬解決的關鍵問題】旨在為下一步遺傳研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用Z58和Y915構建的192個F2∶3家系作為作圖群體。

1.2 表型數據采集

2016年夏及2017年春分別將Z58和Y915構建的192個F2∶3家系種植于江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所試驗田、揚州大學農學院試驗場。

采用行長5 m、行距0.6 m、每行20株的隨機區組試驗設計，2次重復。在散粉后10 d 調查雄穗長和雄穗分枝數，從每行的第6株起，連續調查5株。取下這5株的雄穗，曬干后稱取雄穗重。

1.3 遺傳連鎖圖譜構建

應用56 110個SNP標記對Z58×Y915的F2∶3群體進行多態性鑒定，獲得14 283個多態性標記，通過單倍型分析篩選其中的1736個SNP標記構建遺傳連鎖圖譜，總圖距為1607.9 cM，標記間平均距離為0.967 cM。標記間的平均距離最大的是第10號染色體，距離為1.39 cM；標記間平均距離最小是第2號染色體，距離為0.712 cM。

1.4 表型數據分析及QTL連鎖分析

表型數據分析：本實驗的所有表型數據應用SPSS16.0進行分析處理。應用frequences分析功能，得到頻數分布情況；使用ANOVA進行方差分析。QTL連鎖分析：在Icimapping中運用復合區間作圖法(CIM)，分析檢測F2∶3群體中玉米雄穗主要性狀的QTL數目，位置及效應。

2 結果與分析

2.1 表型數據分析

本研究調查了2016年淮安夏播和2017揚州春播2種環境條件下親本Z58、Y915及其F2∶3群體的3個雄穗主要性狀：雄穗長(TL)、雄穗分枝數(TBN)、雄穗重(TW)。從表1可以看出，親本Z58和Y915在雄穗長、雄穗分枝數以及雄穗重等性狀間存在著一定的差異，方差分析結果表明，F2∶3家系的雄穗長、雄穗分枝數以及雄穗重在基因型間、基因型與環境互作間均達到了顯著或極顯著差異，表明玉米雄穗主要性狀的差異主要是由本身的遺傳因素決定的。圖1所示為2016年淮安、2017年揚州2個環境條件下，F2∶3群體雄穗主要性狀的次數分布圖。圖中對角線顯示各性狀的次數分布，對角線上的值表示性狀間的相關系數，對角線下方表示各性狀的散點圖。正態分布檢驗表明，F2∶3家系的雄穗長、雄穗分枝數及雄穗重在群體內分布比較廣泛，近似符合正態分布，表現出典型的數量遺傳特性，可以用于QTL定位分析，通過相關性檢驗分析，可以看出 3個性狀之間的相關程度較高，雄穗分枝數和雄穗長、雄穗重 2個性狀在不同的環境中均存在顯著的相關，雄穗長與雄穗重之間相關性在2個環境中存在差異。

表1 玉米雄穗主要性狀的描述性分析，方差分析和遺傳力分析

注：**代表(P<0.01) 水平下差異顯著。

Note∶ ** represent significant difference at 0.01 level.

2.2 QTL定位分析

在2016年夏淮安及2017年春揚州2個環境條件下，共檢測到15個與TL性狀連鎖的QTL位點，分別位于第1、3、4、5、6、7、8號染色體上，可解釋表型變異的0.66 %～22.58 %，在染色體 bin 值1.09、3.09位置，2個環境中均穩定檢測到與TL連鎖的QTL位點；共檢測到12個與TBN性狀連鎖的QTL位點，分別位于第1、2、3、5、6、7、9號染色體上，可解釋表型變異的3.05 %～23.80 %，在染色體bin值2.08、3.09位置，2個環境中均穩定檢測到與TBN連鎖的QTL位點；共檢測到9個與TW性狀連鎖的QTL位點，分別位于第1、3、4、6、7、9號染色體上，可解釋表型變異的4.52 %～27.55 %，在染色體bin值3.09、9.05位置，2個環境中均穩定檢測到與TW連鎖的QTL位點。在染色體3.09位置，2個環境中均檢測到與TL、TBN、TW連鎖的位點，該位點是否存在一因多效，有待于進一步研究驗證(表2)。

3 討 論

鑒于雄穗主要性狀在玉米生長發育過程中的重要作用，研究人員對其遺傳特性展開了較多地研究。楊釗釗[12]等研究發現，玉米雄穗分枝數和雄穗主軸長的廣義遺傳力分別介于92 %～96 %和85 %～95 %。劉軍霞等[10]研究表明在2個環境下雄穗分枝數和雄穗主軸長的廣義遺傳力同樣都較大，分別為78.65 %和81.09 %。本研究中F2∶3家系的雄穗長、雄穗分枝數、雄穗重遺傳力也較大，分別為69 %、67 %、61 %，因此選擇玉米雄穗優良性狀時，要特別注重對基礎材料的早代選擇。

***, 代表P<0.001水平下差異顯著；**, 代表P<0.01水平下差異顯著；*, 代表P<0.05水平下差異顯著***, significant at P<0.001; **, significant at P<0.01; *, significant at P<0.05圖1 不同環境條件下F2∶3群體雄穗主要性狀的次數分布Fig.1 Frequency distribution of tassel traits in F2∶3 population under two different environments

表2 不同環境條件下檢測到的雄穗性狀QTL

QTL定位方面，本研究在淮安、揚州 2 個環境條件下共檢測到15個與雄穗長(TL)性狀連鎖的QTL位點，位于染色體bin值1.04、1.09、3.04、3.05、3.09、4.01、4.09、5.01、6.01、7.00、8.05、8.06位置，可解釋表型變異的0.66 %～22.58 %，其中淮安環境條件下檢測到的染色體bin值8.06位置的2個QTL位點效應值較大，可分別解釋表型變異的10.26 %、22.58 %。TL性狀QTL定位分析前人研究較多，高世斌[13]在染色體bin值2.05～2.06、6.06～6.07、2.05～2.07、4.10、10.01～10.02位置檢測到與TL連鎖的位點；楊釗釗[12]在11個群體中檢測到與TL性狀連鎖的環境鈍感的主效QTL位點位于染色體bin值1.06、2.04位置；劉軍霞[10]在不同環境下F2∶3家系中檢測到的與TL連鎖的位點位于染色體bin值2.04、3.04、6.05、7.02、9.01、10.01、10.03位置。比較發現，劉軍霞[10]在3.04位置檢測到的位點與本研究結果比較一致，其他研究人員的結論與本研究差異較大。雄穗分枝數(TBN)方面，本研究在2個環境下共檢測到12個與之連鎖的QTL位點，位于染色體bin值1.07、2.01、2.08、3.08、3.09、5.03、6.01、7.04、9.00、9.07位置，可解釋表型變異的3.05 %～23.80 %，其中淮安環境下在染色體bin值3.09、5.03位置、揚州環境下染色體bin值3.09位置檢測到的位點效益值較大，可分別解釋表型變異的12.87 %、11.83 %、23.80 %。Mickelson[14]在染色體bin值2.02、2.05、2.07、3.04位置檢測到與TBN連鎖的QTL位點；Edward S.Buckler定位預測的位點位于染色體 bin 值2.04、3.04位置；高世斌[13]定位的TBN位點位于染色體bin值2.05～2.06、6.06～6.07、2.05～2.07、4.10、10.01～10.02位置；白成銀[11]通過構建單天花突變材料與常規材料的回交群體及回交家系群體，檢測到與TBN連鎖的位點位于染色體bin值2.04、3.06、5.04、7.02位置；王迪等[15]構建Q/H群體在6個環境下檢測到的TBN性狀QTL位點數目比較多，分布位于1、2、3、4、6、7、8、10號染色體上。其中王迪[15]檢測到的Qqtpbn2-1、Qqtpbn3-32個位點分別位于染色體bin值2.08、3.09位置與本試驗研究結果比較一致，其他研究人員的結論與本試驗差異較大。雄穗重方面，本研究定位的位點位于染色體bin值1.07、3.03、3.09、4.01、4.08、6.00、9.05位置，可解釋表型變異的4.52 %～27.55 %，其中揚州環境下染色體bin值3.09、9.05位置檢測到位點效益值比較大，可分別解釋表型變異的12.16 %、27.55 %。對于雄穗重的QTL定位研究相對較少，王迪[15]在Q/H群體中檢測的位點位于染色體bin值1.02、1.04、1.08、1.11、6.00、7.01、7.02、7.03、9.00、10.04位置，與本試驗研究結果差異較大。

綜上所述，不同研究人員因遺傳材料、群體類型、種植環境等因素的影響，雄穗主要性狀的QTL定位結果存在著較大的差異。怎樣整合不同研究人員試驗結論，解析雄穗性狀的遺傳機理，并應用于育種實踐，仍需要進一步研究探索。