玉米雄穗長的全基因組關聯分析

潘順祥，趙美愛，裴玉賀，郭新梅，宋希云

(1.青島農業大學 生命科學學院，山東 青島 266109；2.青島農業大學 農學與植物保護學院，山東 青島 266019；3.青島農業大學，青島市主要農作物種質創新與應用重點實驗室，山東 青島 266109)

玉米雄穗長的全基因組關聯分析

潘順祥1，3，趙美愛1，3，裴玉賀2，3，郭新梅2，3，宋希云2，3

(1.青島農業大學 生命科學學院，山東 青島 266109；2.青島農業大學 農學與植物保護學院，山東 青島 266019；3.青島農業大學，青島市主要農作物種質創新與應用重點實驗室，山東 青島 266109)

為了闡明雄穗長的遺傳基礎并定位相關的數量性狀位點，利用289份常用玉米自交系為試驗材料，在自然條件下測量并分析玉米的株高、穗位高、雄穗柄長與雄穗長的相關性，并利用全基因組關聯分析對雄穗長進行初步定位。結果表明，玉米雄穗長與3個農藝性狀呈顯著相關或極顯著相關，其中與雄穗柄長關聯最密切，相關系數最高達到0.717。同時共定位出13個與玉米雄穗長相關的標記位點，分別位于Bin1.05、Bin7.02、Bin8.03、Bin10.05處。采用全基因組關聯分析的方法發掘雄穗長基因位點及候選基因，對揭示雄穗的遺傳機理，加速玉米育種進程具有重要的意義。

雄穗長；相關性分析；全基因組關聯分析

玉米雄穗是重要的生殖器官，也是玉米育種中被研究的重要農藝性狀。較小的雄穗，不僅減少對養分的消耗，而且能夠增加下層葉片的透光性，從而提高產量[1]。玉米雄穗在最頂端，具有頂端優勢，而且早于雌穗發育，與雌穗存在競爭關系[2]。長期的玉米生產實踐表明，在玉米育種中雄穗具有減小的趨勢[3]。雄穗的長短與雄穗大小密切相關，雄穗較短，對應的雄穗相對較小。但在玉米育種過程中，卻要選擇有發達雄穗的父本，才能保證有足夠的花粉，提高育種質量和降低成本[4]。因此，了解雄穗的遺傳規律，揭示雄穗發育的分子機理，對加速玉米育種進程具有重要的意義。

玉米雄穗性狀屬于數量性狀，受多基因控制[5]。隨著標記技術的發展，QTL定位方法大量應用于數量性狀的研究。借助QTL作圖，確定控制玉米雄穗長的基因位點，為玉米育種改良提供理論依據。高世斌等[6]檢測玉米組合(N87-1×9526)F3家系，在正常和干旱條件下共同檢測到1個QTL位點位于2號染色體。許瀚元[7]以DH1M × T877雜交衍生的F2群體為作圖群體，在1號和9號染色體上各檢測到1個QTL位點。賈波等[8]以蘇玉16(JB×Y53)的F2：3家系為試驗材料，在5號染色體檢測到2個玉米雄穗長的QTL位點。但受到標記密度的限制，QTL檢測的置信區間較大、有效性較低，難以為育種提供優良等位基因的信息。而全基因組關聯分析(Genome-wide association study，GWAS)具有高分辨率、高通量的優勢，有利于鑒定種質資源中的有利基因[9-10]。本研究利用全基因組關聯分析結合玉米自然條件下的農藝性狀對雄穗長進行初步定位，以期為玉米育種父本的選擇提供科學的理論依據和技術支持。

1 材料和方法

1.1試驗材料

供試材料為289份玉米自交系構建的自然群體，包括我國骨干自交系及國外引進的優良自交系、青島農業大學選育的骨干自交系。

1.2田間試驗設計

2014年在膠州、棗莊，2015年在青州、洛陽種植289份玉米自交系，3 m行長，0.6 m行寬，每行15株，每個試驗點3個重復。在玉米開花后15 d測量全部植株的株高、穗位高、雄穗長、雄穗柄長。

1.3表型數據統計分析

利用SPSS 2.0軟件對玉米株高、穗位高、雄穗長、雄穗柄長的表現型數據做相關性分析，同時對玉米雄穗長的表現型數據進行描述統計分析，獲得不同環境下雄穗長的均值、方差、標準差、偏度、峰度及直方圖。

1.4玉米葉片總DNA的提取及基因型分析

在玉米六葉期時，每個自交系隨機選6株在葉片中部用打孔器取樣，參照CTAB法提取DNA[11]，送到美國先鋒公司利用MaizeSNP50基因芯片進行基因分型。該芯片包括55 126個SNP標記，均勻分布玉米B73的全基因組。SNP基因型檢測參照Illumina公司提供的操作指南，采用Illumina BeadStation 500 G SNP分型系統完成。參照Weng等[12]控制基因型數據質量。

1.5SNP基因型的關聯分析

從55 126個SNP中剔除缺失率大于20%、雜合率大于10%和最小基因頻率低于0.05的標記，剩余25 331個基因型Marker，利用TASSEL 5.0軟件對玉米雄穗長進行全基因組關聯分析。在P<0.000 1水平上，判定SNP標記與玉米雄穗長的顯著性。

2 結果與分析

2.1玉米雄穗長的表型數據分析

將已獲得的玉米雄穗長表現型數據導入軟件SPSS進行數據統計分析，同時得到不同環境下的直方圖，如表1、圖1所示。膠州、棗莊、青州、洛陽4個環境玉米雄穗長的均值分別為34.81，35.23，25.35，29.70 cm，方差分別為23.327，44.849，17.321，11.470，標準差分別為4.551，6.697，4.162，3.387(表1)。4個環境下玉米雄穗長表現型數據雖然存在一定差異，但整體呈正態分布，植株具有一定的代表性，符合全基因組關聯分析的要求，如圖2所示。

表1 不同環境下玉米雄穗長的統計分析Tab.1 Statistical analysis of tassel length in maize under different environments

2.2玉米雄穗長與株高、穗位高、雄穗柄長的相關性分析

用SPSS做出2014，2015年雄穗長與主要農藝性狀的相關性分析如表2。由表2可以看出，2014年膠州雄穗長與株高、雄穗柄長均呈極顯著正相關，相關系數分別為0.505，0.553，與穗位高呈顯著相關，相關系數為0.151。2014年棗莊雄穗長與株高、雄穗柄長呈極顯著正相關，相關系數分別為0.430，0.393，與穗位高呈顯著相關，相關系數為0.157。2015年洛陽雄穗長與株高、穗位高、雄穗柄長呈極顯著正相關，相關系數分別為0.399，0.191，0.252。2015年青州雄穗長與株高、雄穗柄長均呈極顯著正相關，相關系數分別為0.251，0.717，與穗位高呈顯著相關，相關系數為0.152。

A.2014年膠州雄穗長；B.2014年棗莊雄穗長；C.2015年青州雄穗長；D.2015年洛陽雄穗長。A.Tassel length in Jiaozhou during 2014；B.Tassel length in Zaozhuang during 2014；C. Tassel length in Qingzhou during 2015；D.Tassel length in Luoyang during 2015.

圖2 玉米雄穗長全基因組關聯分析的Q-Q圖Fig.2 Quantile-quantile plot of genome-wide association analysis

2.3玉米雄穗長的全基因組關聯分析

將25 331個基因Marker與雄穗長用TASSEL5.0的MLM模型進行全基因組關聯分析。圖2為全基因組關聯分析的Q-Q圖，橫軸表示經過負的常數對數轉換的期望P值，縱軸表示經過負的常數對數轉換的觀察到的P值。圖3為4個環境的曼哈頓圖，縱軸間接表示各個標記與性狀的關聯性。在2014年膠州篩選出5個標記，分布在2，4，7號染色體，如圖3-A、表3。2014年棗莊篩選出5個標記，分布在2，4，10號染色體，如圖3-B、表3。2015年洛陽篩選出11個標記，分布在1，2，4，5，7，8，9號染色體，如圖3-C、表3。2015年青州篩選出13個標記，分布在4，5，7，8，10號染色體，如圖3-D、表3。

表2 雄穗長與主要農藝性狀的相關分析Tab.2 Analysis on the correlation between the tassel length and the main agronomic traits cm

注：**.在 0.01 水平(雙側)上顯著相關；*.在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

Note：**.Correlation is significant at the 0.01 level；*.Correlation is significant at the 0.05 level.

2.4玉米雄穗長的候選基因分析

結合前人的研究結果[13-14]，共篩選出13個標記，分布在Bin1.05、Bin7.02、Bin8.03和Bin10.05處。其中在Bin1.05處篩選出1個標記，在Bin7.02處篩選出10個標記，在Bin8.03處篩選出1個標記，在Bin10.05處篩選出1個標記(表4)。

3 討論

3.1雄穗長定位結果比較分析

GWAS是一種以連鎖不平衡為基礎，將SNP均勻分布于全基因組，借助統計學工具分析某一群體目標性狀遺傳變異的方法。目前，GWAS大量應用于鑒定植物病害、開花期、籽粒性狀、株高等性狀的研究[12，15-17]。本研究采用289份玉米自交系組成的關聯作圖群體對玉米雄穗長進行全基因組關聯分析，在4個環境中共檢測到34個與玉米雄穗長顯著關聯(P< 0.000 1)的SNP。

A.2014年膠州雄穗長曼哈頓圖；B.2014年棗莊雄穗長曼哈頓圖；C.2015年洛陽雄穗長曼哈頓圖；D.2015年青州雄穗長曼哈頓圖。A.Manhatton plot of tassel length in Jiaozhou during 2014；B.Manhatton plot of tassel length in Zaozhuang during 2014；C.Manhatton plot of tassel length in Luoyang during 2015；D.Manhatton plot of tassel length in Qingzhou during 2015.

染色體Chromosome12345678910總數Sum膠州Jiaozhou-1-2--2---5棗莊Zaozhuang-1-3-----15洛陽Luoyang11-22-311-11青州Qingzhou---13-62-113

Tuberosa等[18]提出，相同性狀的QTL在不同環境下檢測到，且效應方向相同，置信區間、標記區間重疊，可認為是同一QTL位點，Tian等[19]認為連鎖定位和關聯分析都可以檢測數量性狀位點，2種方法檢測到的位點在位置上大部分具有一致性。本研究檢測到的13個標記中，有3個位于已定位的QTL區段內。PZE_101121282位于Bin1.05內，與許瀚元[7]和王玉民[13]的研究結果一致；PZE_108043283位于Bin8.03內，與王玉民[13]的研究結果一致；SYN4826位于Bin10.05內，與付家鋒[14]的研究結果一致。4個環境在4號染色體都檢測到玉米雄穗長的相關基因位點，說明此染色體極大可能存在與玉米雄穗長相關的基因位點。進一步研究時，可以在此區間適量加大標記密度。但本研究檢測到的顯著位點并非都與已經定位的QTL重疊，可能是因為前人采用的雙親QTL作圖法受親本種質背景或檢測微效QTL功效較低的影響。這表明采用全基因組關聯分析策略是一種解析雄穗長遺傳結構的有效方法[17]。

表4 13個與雄穗長顯著相關的SNP位點Tab.4 The 13 SNP associated with tassel length

3.2候選基因分析

本研究檢測出的13個與玉米雄穗長顯著關聯的SNP標記位點進行掃描分析，得到SNP對應的候選基因。其中crt2為鈣網蛋白，該蛋白是內質網/肌漿網主要的Ca2+結合蛋白，通過協助蛋白質正確折疊和維持細胞Ca2+穩態而參與調節細胞凋亡、黏附、類固醇敏感性基因表達和自身免疫反應等[20]。LOC103632297編碼磷脂酰肌醇轉移蛋白(PITP)，該蛋白普遍存在于真核生物細胞中，PITP能夠結合并交換一分子的磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol，PI)或磷脂酰膽堿(Phosphatidylcholine，PC)，并促進這兩類脂分子在細胞內膜組分間的轉移。PITP對細胞內膜組分間脂類的運輸和代謝、分泌囊泡的形成和運輸、磷脂酶C(Phospholipase，PLC)調節的信號傳導以及神經退化等生理生化過程具有重要的影響[21]。上述基因信息可能為克隆相關基因提供參考借鑒。

玉米雄穗長為多基因控制的數量性狀，且受環境影響較大，研究過程比較復雜、可控性差，本試驗結果可以為今后研究玉米雄穗長的基因位點提供參考依據，同時為進一步進行玉米雄穗長相關基因位點的精細定位、候選基因的功能及表達分析奠定理論基礎，進而為玉米育種提供參考借鑒。

[1] Lambert R J，Johnson R R. Leaf angle，tassel morphology，and the performance of maize hybrids[J]．Crop Science，1978，18(3)：499-502.

[2] 慈曉科，張世煌，張德貴，等．不同密度下玉米雌雄穗開花間隔與產量關系研究[J]．玉米科學，2010，18(6)：69-72．

[3] 冀 華，李 宏，張樹偉．玉米雌雄穗發育及其與產量的關系[J]．山西農業科學，2011，39(7)：754-755，774．

[4] 白成銀．玉米雄穗分枝數的QTL定位[D]．雅安：四川農業大學，2013．

[5] Brown P J，Upadyayula N，Mahone G S，et al. Distinct genetic architectures for male and female inflorescence traits of maize[J]. PLOS Genetics，2011，7(11)：e1002383.

[6] 高世斌，趙茂俊，蘭 海，等．玉米雄穗分枝數與主軸長的QTL鑒定[J]．遺傳，2007，29(8)：1013-1017．

[7] 許瀚元．基于SNP分子標記連鎖圖譜的玉米農藝性狀QTL定位[D]．揚州：揚州大學，2015．

[8] 賈 波，蔣思霞，鄧德祥，等．玉米農藝性狀QTL定位分析[J]．玉米科學，2011，19(3)：31-34．

[9] Yu Jianming，Buckler E S. Genetic association mapping and genome organization of maize[J]. Current Opinion in Biotechnology，2006，17(2)：155-160.

[10] Zhu Chengsong，Gore Michael，Buckler Edwards et al. Status and prospects of association mapping in plants[J]. The Plant Genome，2008，1(1)：5-20.

[11] 高玉峰，張 攀，郝曉敏，等．一種快速提取玉米大群體基因組DNA的方法[J]．中國農業大學學報，2011，16(6)：32-36．

[12] Weng Jianfeng，Xie Chuanxiao，Hao Zhuanfang，et al. Genome-Wide association study identifies candidate genes that affect plant height in Chinese elite maize (ZeamaysL.) inbred lines[J]. PLoS One，2011，6(12)：e29229.

[13] 王玉民．基于玉米高代回交群體的QTL分析[D]．鄭州：河南農業大學，2008．

[14] 付家鋒．玉米植株性狀QTL的遺傳背景和環境穩定性及其遺傳相關研究[D]．鄭州：河南農業大學，2008．

[15] Buckler E S，Holland J B，Bradbury P J，et al. The genetic architecture of maize flowering time[J]. Science，2009，325(5941)：714-718.

[16] Kump K L，Bradbury P J，Wisser R J，et al. Genome-wide association study of quantitative resistance to southern leaf blight in the maize nested association mapping population[J]. Nature Genetics，2011，43(2)：163-168.

[17] 張煥欣，翁建峰，張曉聰，等．玉米穗行數全基因組關聯分析[J]．作物學報，2014，40(1)：1-6．

[18] Tuberosa R，Salvi S，Sanguineti M C，et al. Mapping QTLs regulating morpho-physiological traits and yield：case studies，shortcomings and perspectives in drought-stressed maize[J]. Annals of Botany，2002，89 (7)：941-963.

[19] Tian Feng，Bradbury P J，Brown P J，et al. Genome-wide association study of leaf architecture in the maize nested association mapping population[J]. Nature Genetics，2011，43(2)：159-162.

[20] 徐菲菲，劉秀華．鈣網蛋白的生理及病理生理學作用[J]．生理科學進展，2006，37(3)：216-220．

[21] 莫萍麗，嚴重玲，李裕紅，等．磷脂酰肌醇轉移蛋白[J]．細胞生物學雜志，2007，29(2)：213-218．

Genome-wideAssociationAnalysisofTasselLengthinMaize

PAN Shunxiang1，3，ZHAO Meiai1，3，PEI Yuhe2，3，GUO Xinmei2，3，SONG Xiyun2，3

(1.College of Life Science，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China；2.College of Agronomy and Plant Protection，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China；3.Qingdao Agricultural University，Qingdao Key Lab of Germplasm Innovation and Application of Major Crops，Qingdao 266109，China)

In order to explain the genetic basis of tassel length and locate the related QTLs，289 maize inbred lines were used as the experimental material，the correlation between the tassel length of maize and plant height，ear height，tassel stem length were measured and analyzed under natural conditions，and genome association analysis was also applied to initially map the length of tassel. The results showed that tassel length and the three agronomic traits were significantly or extremely significantly correlated，therein，tassel length had the most significant correlation with tassel stem length，and the highest correlation coefficient has reached 0.717.At the same time，a total of 13 marker sites correlated with tassel length were identified and they were located on Bin1.05，Bin7.02，Bin8.03 and Bin10.05. Genome-wide association analysis was used to explore the long locus and candidate genes，which had an important significance to reveal the genetic mechanism of tassel and accelerate the process of maize breeding.

Tassel length；Correlation analysis；Genome-wide association analysis

2017-07-10

國家自然科學基金項目(31371636)；山東省現代農業產業技術體系玉米產業創新團隊項目(SDAIT-01-022-01)；山東省農業良種工程；山東省農業生物資源創新利用研究課題和青島市應用基礎研究計劃項目(14-2-4-13-jch)

潘順祥(1990-)，男，山東濰坊人，碩士，主要從事作物遺傳育種研究。

宋希云(1961-)，男，山東濰坊人，教授，博士，主要從事玉米遺傳育種、生化與分子生物學研究。

Q78；S513.03

A

1000-7091(2017)05-0031-06

10.7668/hbnxb.2017.05.006