玉米雜交群體產量性狀及其特殊配合力全基因組關聯分析

馬 娟 曹言勇

河南省農業科學院糧食作物研究所, 河南鄭州 450002

雜種優勢是指F1代雜交種在產量、品質和抗逆等方面優于雙親的一種現象[1]。玉米等作物雜種優勢利用在生產和應用上也取得了巨大成功。由于雜交種表型受加性、顯性和上位性效應的影響, 因此不能利用雙親表現直接決定雜交種是否優良。1942年Sprague 首先提出一般配合力和特殊配合力的概念, 并用來評價雙親和雜交種表現的優良[2]。特殊配合力(special combining ability, SCA)是指特定親本組配的雜交后代的平均表現, 用來評價雜交種的實際表現和預測雜種優勢[3]。因此, 解析F1雜交種和特殊配合力的遺傳機制、挖掘關鍵控制基因對玉米雜交育種具有重要意義。

全基因組關聯分析(genome-wide association study, GWAS)是解析作物復雜數量性狀的有效統計方法。近年來研究人員利用GWAS 對F1雜交種和特殊配合力開展了遺傳解析工作。Navarro 等[4]利用3552 份F1雜交種對玉米開花性狀進行了GWAS 研究, 共鑒定1005 個相關基因。Xiao 等[5]利用42,840個F1雜交種構成的關聯群體對單穗重、抽雄期、株高和穗位高進行了遺傳解析, 發現上位性互作有助于單穗重和株高雜種優勢。利用陜A 群和陜B 群選育的85 個玉米自交系組配的246 份F1雜交種為材料, 李周帥等[3]利用BLINK (Bayesian information and linkage-disequilibrium iteratively nested keyway)

模型對產量和配合力進行了全基因組關聯分析, 分別檢測到7 個和9 個位點與雜交種產量和SCA 顯著關聯, 其中4 個為共定位位點。李婷等[6]利用該群體對籽粒性狀及其SCA 進行了遺傳解析, 分別檢測到31 個和5 個顯著位點, 其中3 個為籽粒性狀和SCA共定位位點。以陜A 群和陜B 群組配的422 份玉米雜交種為自然群體, 李婷等[7]利用加性和顯性模型對行粒數、穗長、穗粗等8 個穗部性狀進行了關聯分析, 分別檢測到16 個和3 個顯著SNPs (single nucleotide polymorphisms)。Zhang 等[8]利用300 個F1玉米雜交種對株高進行了遺傳解析, 共檢測到9個顯著SNPs 和2 個候選基因。此外, 盧雨晴等[9]以2 份青貯玉米自交系為測驗種與92 份自交系組配的184 份測交種為材料, 利用加性模型、顯性模型、超顯性模型和隱性模型對酸性洗滌纖維進行全基因組關聯分析, 定位到35～116 個顯著關聯位點和64 個候選基因。

盡管以上研究基于F1雜交群體挖掘到一些控制產量、穗部性狀和籽粒性狀的重要位點和基因, 由于群體背景依賴性限制其不能完全解析F1雜交種和SCA 的遺傳機制。因此, 本研究以123 份玉米自交系和8 份測驗種按照NCII (North Carolina design II)組配了540 份F1雜交種, 結合8843 個高質量的SNPs標記對該群體單穗粒重、穗部性狀、籽粒性狀以及其SCA 進行關聯分析, 解析F1雜交種產量等性狀雜種優勢遺傳機制, 為選育高產玉米新品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料、田間設計及配合力分析

根據NCII 設計, 利用123 份玉米自交系與8 份測驗種(M189、M119、20H1419、S110T、L119A、PH4CV、昌7-2 和農系531)組配了540 個F1雜交種。試驗采用隨機區組試驗設計, 于2021 年種植在河南新鄉和周口2 個地點, 1 行區, 2 次重復。新鄉小區行長、行距和株距分別是4.00、0.60 和0.22 m, 周口小區行長、行距和株距分別是3.30、0.60 和0.22 m。果穗成熟后, 每小區每個材料選取單穗測量單穗粒重(kernel weight per ear, KWE) (g)、單穗重(ear weight, EW) (g)、行粒數(kernel number per row,KNR)、穗長(ear length, EL) (cm)和穗粗(ear diameter,ED) (cm)。脫粒后, 利用玉米果穗/籽粒考種流水線儀器(國家農業信息化工程技術研究中心)測量百粒重(100-kernel weight, HKW) (g)、粒長(kernel length,KL) (cm)和粒寬(kernel width, KW) (cm)。利用QTL IciMapping v4.2.53[10]計算2 個環境的最佳線性無偏估計值作為F1雜交種表型。利用R 語言lme4 包對兩環境聯合計算, 獲得各性狀的SCA 值。

1.2 基因型鑒定及分析

采用CTAB 方法提取123 份自交系和8 份測驗種葉片的DNA, 利用玉米5.5K 液相育種芯片(河南省農業科學院糧食作物研究所)進行基因型分型[11]。玉米5.5K 液相育種芯片主要基于探針雜交捕獲原理進行基因型分型, 其具體步驟包括: (1) 利用超聲打斷儀將DNA 片段化并加上測序接頭, (2) 將DNA 測序接頭與攜帶生物素標記的RNA 探針進行結合并形成雙鏈復合物, (3) 將鏈霉親和素包裹的磁珠和RNA-DNA 雙鏈復合物結合, (4) 清洗獲得目標區域DNA, (5) 對目標區域DNA 產物進行PCR 擴增, 構建測序文庫, (6) 利用Illumina NovaSeq 6000 進行測序。測序獲得的reads 比對參考基因組B73_RefGen_v4 (http://www.gramene.org/), 共篩選到33,971 個SNPs。隨后將親本材料中雜合和缺失的分子標記去掉, 將親本基因型合并得到F1雜交種的基因型, 并經過最小等位基因頻率<0.05 的過濾, 最終獲得8843 個高質量SNPs 用于雜交種表型和SCA 全基因組關聯分析。123 份自交系和8 份測驗種的基因型數據見附表1, 其群體結構和親緣關系見文獻[11]。

表1 不同性狀之間的相關系數Table 1 Correlation coefficient among different traits

1.3 全基因組關聯分析

基于8843 個SNPs, 本研究利用R 語言GAPIT包的BLINK 模型[12]對540 個F1雜交種的8 個產量性狀和其SCA 進行全基因組掃描分析。根據圖1, 將模型中主成分個數設置為7。由于雜交種表型受加性和非加性影響, 因此利用加性模型和顯性模型分別進行關聯分析。GCA 主要受非加性影響, 因此只進行顯性模型計算。加性模型的基因編碼方式為0、1、2, 顯性模型的編碼方式為0 和1。以P< 0.05/8843=5.65E-06 為閾值定義顯著SNPs。顯著SNPs的表型變異解釋率利用R 語言GAPIT 包計算。以顯著SNPs 上下游各10 kb 為候選區間, 檢索Maize GDB 數據庫, 同時結合Maize GDB 公共數據庫B73穗部、籽粒發育的表達譜數據(表達值≥1)以及注釋信息確定候選基因。利用雙尾t測驗對顯著位點不同等位基因型的表型進行差異分析。

圖1 主成分分析Fig.1 Principal component analysis

2 結果與分析

2.1 F1 雜交種和特殊配合力表型統計分析

F1雜交種的單穗粒重、單穗重、百粒重和行粒數表型分布、方差分析和遺傳力見文獻[11]。不同性狀之間相關性分析見表1。不管是F1雜交種還是SCA, 百粒重、行粒數、穗長、穗粗、粒長和粒寬均與單穗粒重、單穗重表現出顯著正相關關系(r=0.24～0.64)。F1雜交種各性狀與其SCA 均具有顯著正相關關系(r= 0.61～0.87)。

2.2 雜交種表型和特殊配合力顯著關聯位點

基于BLINK 加性模型檢測到雜交種單穗粒重、單穗重、百粒重、穗長和粒寬顯著關聯位點各2 個(P< 5.65E-06) (表2)。位點3_229718911 能夠解釋單穗粒重表型變異的19.62%, 位點2_172799260 解釋單穗重變異的81.65%, 百粒重2 個關聯位點表型變異解釋率為16.62%～19.58%, 穗長2 個關聯位點表型變異解釋率為11.14%～17.64%, 位于9 號染色體的粒寬顯著位點解釋27.30%的表型變異, 均為控制雜交種表型的主效位點。

表2 F1 雜交種性狀和特殊配合力顯著關聯SNPsTable 2 Significant SNPs for F1 hybrid traits and special combining ability

利用BLINK 顯性模型共檢測到31 個F1雜交種表型顯著關聯SNPs, 8 個與單穗粒重關聯, 4 個與百粒重關聯, 10 個與穗長關聯, 5 個與粒長關聯, 6 個與粒寬關聯, 單穗重、行粒數和穗粗各檢測到1 個顯著位點(表2)。與單穗粒重關聯的位點2_35999586、3_151476859 和 8_135270440 分別解釋 10.33%,15.39%和 13.22%的表型變異, 與單穗重關聯位點10_128608741 解釋表型變異率為33.90%, 與百粒重關聯位點8_173023129 的表型變異解釋率為23.62%,說明這5 個顯著SNPs 為主效位點。其他顯性位點表型變異解釋率介于0～7.04%, 均為微效位點。基于BLINK 顯性模型檢測到8 個顯著位點與SCA 關聯, 4個與單穗重SCA 關聯, 2 個與穗粗SCA 關聯, 穗長和粒長SCA 均檢測到1 個(表2)。百粒重、穗長、穗粗和粒長各檢測到1 個主效位點, 可解釋SCA 變異的16.80%～35.86%。

通過比較F1雜交種各性狀、SCA 以及不同模型檢測的顯著SNPs, 發現7 個共定位SNPs (表3)。其中, 3_229718911 為單穗粒重、穗長和粒寬共定位位點。4_245349341 對單穗粒重、單穗重和百粒重表現出一因多效。位點10_128608741 被F1單穗重與其SCA 共定位。與粒寬顯著關聯的9_158819519 被加性和顯性模型同時檢測到。

表3 主效和共定位SNPs 挖掘的候選基因Table 3 Candidate genes identified from major-effect and co-detected SNPs

2.3 優異等位基因分析

通過對主效和共定位SNPs 優異等位基因的分析, 本研究發現加性模型均以純合基因型為有利等位基因, 而且優異純合基因型幾乎均顯著或極顯著高于雜合基因型, 說明這些位點主要受到加性效應的影響(圖2)。對于 F1顯性模型, 主效位點8_173023129 和10_128608741 均以雜合基因型為有利基因型, 顯著或極顯著高于純合基因型。其中,位點10_128608741 也被單穗重SCA 顯性模型檢測到,其雜合基因型的SCA 值極顯著高于2 種純合基因型。共定位位點4_124715480 雜合基因型的單穗粒重值介于2 種純合基因型之間, 但對于粒長而言,該位點雜合基因型為優異等位基因型, 極顯著高于最差純合基因型。對于F1顯性模型其余位點, 雜合基因型多表現為最差基因型, 且與純合基因型也多表現出顯著差異, 說明F1雜交種的遺傳結構比較復雜, 同時受到加性和顯性效應的影響。基于顯性模型, 控制穗長、穗粗和粒長SCA 的主效位點均以雜合基因型為優異等位基因, 而且均顯著高于純合基因型, 說明這些位點SCA 以顯性效應為主(圖2)。但影響單穗粒重SCA 的主效位點4_3412671 以純合基因型為最優基因型, 雜合基因型表現最差。

圖2 主效和共定位SNPs 優異等位基因分析Fig.2 Favourable allele analysis of major-effect and co-detected SNPs縮略詞同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.*: P < 0.05; **: P < 0.01; ***: P < 0.001.

2.4 候選基因的挖掘

為了挖掘對玉米產量等性狀及其SCA 具有顯著效應的基因, 本研究選擇主效和共定位SNPs 進行候選基因挖掘。通過對顯著位點位置上下游10 kb范圍內檢索以及MaizeGDB 數據庫B73 籽粒、穗部組織的表達譜分析, 共挖掘到26 個候選基因(表3 和附圖1)。通過檢索MaizeGDB 和NCBI 數據庫, 共獲得17 個有注釋信息的基因, 包括3 個轉錄因子(MYBrelated-transcriptionfactor85,NLP-transcription factor9,PHD-transcriptionfactor3), 生長素上調小RNA (smallauxinupRNA11,SAUR11和smallauxin upRNA12,SAUR12), FCS-like 鋅指蛋白基因(FCSlikezincfinger16,FLZ16)等。

3 討論

本研究中F1雜交種產量性狀與其SCA 具有較高的正相關關系, 這與前人[3,6]研究結果一致。通過BLINK 模型進行全基因組掃描, 本研究僅檢測到1個SNP 同時影響F1單穗重及其SCA 效應。李婷等[6]發現雜交種籽粒表型與SCA 有3 個共定位位點, 占比為9.68%。李周帥等[3]檢測到4 個SNPs 為F1產量和其SCA 共定位位點, 分別占F1產量和SCA 顯著位點總數的57.14%和44.44%。這些共定位SNPs 表明F1表型與SCA 遺傳基礎存在相似性。

通過與前人的定位研究結果比較, 本研究中單穗粒重、穗長和粒寬共定位位點3_229718911 位于在Xiao 等[5]利用多個F1雜交群體檢測的控制單穗重中親優勢顯著QTL 區間內。粒長和粒寬的顯著位點10_140869698 和10_140869639 均位于一個控制F1單穗重的顯著 QTL 區間內[5]。穗長顯著位點 3_223382067 和單穗粒重及其 SCA 顯著位點 10_128608741 分別位于Yi 等[13]鑒定的控制單穗重中親優勢顯著位點qEWPE3-2 和qEWPE10-3 區間內。與單穗粒重SCA 顯著關聯的2_2038269 和4_3412671分別位于Li 等[14]定位的F1粒長關聯位點(TC-TMMain-qKL2-1、TC-qKL2-1)和百粒重關聯位點(TCTM-Main-qHGW4)內。與百粒重顯著關聯的 7_180299 位于Li 等[14]檢測的控制粒長中親優勢位點MPH-qKL7 內。

通過對主效位點和共定位位點進行候選基因挖掘以及MaizeGDB 數據庫基因表達譜分析, 共挖掘到26 個候選基因。單穗粒重主效位點8_135270440預測的候選基因Zm00001d010967編碼轉錄因子MYB-related-transcriptionfactor85(MYBR85), 在小麥中TaMYB72是一個調控花期的重要調節因子, 其在長日照條件下過量表達會使水稻花期縮短約12 d[15]。F1單穗重與其SCA 共定位位點10_128608741 對應的候選基因Zm00001d025757編碼轉錄因子NLPtranscriptionfactor9(NLP9)。擬南芥中NLP 轉錄因子的突變會導致硝酸鹽反應和發育過程停滯[16]。單穗重主效位點4_3412671 候選基因Zm00001d048694編碼FLZ16, 該基因在雌小穗中偏好性表達[17]。OsFLZ2的共表達會破壞OsMADS51的穩定, 并削弱其下游靶基因Ehd1的轉錄激活, 從而調控水稻的開花期[18]。穗粗SCA 主效SNP 7_13827332 挖掘的候選基因Zm00001d019039編碼轉錄因子PHD-transcriptionfactor3(PHD3)。大麥基因HvMS1是一個PHD 轉錄因子, 在花藥絨氈層特異性表達, 該基因沉默或過表達會導致大麥雄性不育[19]。對F1單穗重和百粒重具有一因多效性的顯著位點1_263446521預測的候選基因Zm00001d033464和Zm00001d 033465分別編碼生長素上調小 RNASAUR11和SAUR14在穗原基中高表達(附圖1)。水稻中,Os-SAUR33與糖信號通路調節因子OsSnRK1A相互作用,在種子萌發過程中影響糖信號相關基因的表達[20]。擬南芥中,SAUR63會促進下胚軸和雄蕊花絲延長[21]。大豆中, SAURs 在epi-F2:4系中差異表達; 與epi-F2:6相比, epi-F2:4系的產量更高[22]。因此, SAURs 可能是影響F1單穗重和百粒重的重要基因。對候選基因進行挖掘時, 前人將顯著SNPs 候選區間設置為1～200 kb[9,23-24]。例如, 盧雨晴等[9]以1 kb 為候選區間檢索到64 個控制玉米酸性洗滌纖維的候選基因。吳律等[23]以80 份玉米自交系對玉米穗行數開展GWAS研究, 在5.2 kb 候選區間內檢索到4 個候選基因。馬雅杰等[24]雖然設置了200 kb 為檢索區間, 但最終確定以距離顯著SNP 標記最近且具有功能注釋的基因為候選基因。為了檢索到距離顯著SNP 標記最近的候選基因, 本研究利用10 kb 為候選區間并結合基因表達譜, 最終挖掘到26 個候選基因, 同時通過對候選基因家族在其他植物的功能分析, 進一步明確了控制玉米雜交種產量性狀最可能的候選基因, 為后續基因功能驗證提供指導。

隨著分子標記技術和數量遺傳學的發展, 研究人員利用雙親、多親和純系自然群體挖掘了大量控制玉米產量等重要性狀的數量性狀位點。但由于玉米商業化生產以單交種為主, 因此基于自交系鑒定的關鍵位點并不能解釋F1雜交種的遺傳基礎。基于NCII 遺傳交配設計的F1雜交群體的親本材料通常來源于實際育種, 其研究結果可以更好地與育種實踐相結合[7]。本研究所用的131 份親本自交系均是育種材料, 利用BLINK 加性和顯性模型鑒定的顯著位點可用于該群體的遺傳改良。通過對共定位位點優異等位基因的分析, 發現3 個具有一因多效性的位點在多個性狀中有利等位基因型表現一致。其中,3_229718911 和4_245349341 為F1不同性狀共定位位點, 有利等位基因分別為GG 和TT, 能夠累計解釋10.80%～23.64%的表型變異(圖2)。與單穗重和其SCA 關聯的位點10_128608741 的優異等位基因型為GT, 可累計解釋37.76%的表型變異(圖2)。因此,對這3 個位點開發分子標記可實現多個性狀以及F1表型與其SCA 效應的同步改良。NCII 雜交群體通常僅對其雙親進行基因型檢測, F1雜交種的基因型則可根據雙親基因型進行推斷, 因此對于未組配的雜交組合可利用全基因組選擇方法進行預測。基于11,734 個SNPs 標記, Ma 等[11]利用4 種參數模型和一種半參數模型的加性模型和加性-顯性模型對本研究群體的單穗粒重、單穗重、百粒重和行粒數進行了預測, 研究發現F1雜交種4 個性狀的預測準確性較高, 為0.53～0.75, 可用于有效預測和選擇優良雜交組合。因此, 基于NCII 遺傳設計組配的F1雜交群體不僅能用于解析玉米產量等重要農藝性狀的遺傳機制, 還能利用全基因組選擇分子育種技術提高優良雜交組合的篩選效率, 加快玉米高產新品種的選育效率。

4 結論

本研究利用BLINK 加性模型、顯性模型共檢測到38 個和8 個控制F1單穗粒重等8 個性狀與其SCA的顯著關聯SNPs。不同性狀和模型之間共定位位點有7 個, 其中1 個為性狀與其SCA 共定位。通過對主效和共定位SNPs 候選基因挖掘, 共鑒定到26 個候選基因, 其中轉錄因子MYBR85、NLP9、PHD3、生長素上調小RNA (SAUR11和SAUR12)、FCS-like鋅指蛋白基因FLZ16等可能是控制F1雜交種產量性狀與其SCA 的重要候選基因。

附表和附圖請見網絡版: 1) 本刊網站http://zwxb.chinacrops.org/; 2) 中國知網 http://www.cnki.net/;3) 萬方數據 http://c.wanfangdata.com.cn/Periodicalzuowxb.aspx。