玉米雄穗主要性狀QTL定位分析

賈波，崔敏，印志同，嚴衛古，謝慶春*

(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)

玉米是世界上重要的飼料作物和糧食作物，在國民經濟中呈現愈來愈重要的價值。為了進一步實現玉米高產、優質、多抗的目標，科研人員在育種、栽培、生理生化等多個領域開展了深入的研究。玉米具有強大的雄花序，擁有遠超過正常授粉所需要的花粉量，造成了光合產物的巨大浪費，對玉米雄穗的效應研究具有重要意義[1-2]。玉米雄穗是形態學上品種鑒別和評價的重要依據，其由主軸、分枝、小穗和小花組成。雄穗位于植株頂端，具有頂端優勢，其先于雌穗發育，營養供應上優于雌穗，雌雄穗間發育存在競爭[3]。因此，合理的雄穗結構對于協調雌雄穗發育，增加籽粒產量具有重要的意義。美國先鋒公司玉米雜交種雄穗大小從1967—1991年降低了36%。但是從玉米種質資源保存及雜交制種角度考慮，又需要雄穗具有足夠的小穗數和花粉量[4]。因此，剖析玉米雄穗主要性狀的遺傳結構，對保持親本材料優良雄穗性狀、促進玉米生產具有重要的指導意義。

鑒于雄穗在玉米生產及品種鑒別等方面的重要作用，研究人員對其遺傳特性進行了大量的研究。Mickelson等[5]檢測到6個雄穗分枝數相關的QTL，其中位于第2染色體umc53a附近的QTL，貢獻率達19.2%；3個與雄穗分枝角度相關的QTL，可解釋表型變異的35.6%。Upadyayula等[6]研究發現2個雄穗分枝數和4個雄穗重相關的QTL。高世斌等[7]在正常環境和脅迫環境下穩定檢測到，2個雄穗分枝數相關的QTL，分別位于第5和7號染色體上；1個雄穗主軸長相關的QTL，位于第2號染色體上。楊釗釗等[8]檢測到15個在多環境下(5個環境以上)穩定表達的雄穗相關性狀主效QTL。王迪等[9]在6個環境下2個群體中共檢測到51個與雄穗分枝數和雄穗重相關的QTL，其中包括7個主效QTL。

目前為止，大部分研究者所構建的連鎖圖譜平均長10～20 cm，標記密度太低，已經遠不能滿足當前遺傳連鎖圖譜構建和QTL定位的需求。本試驗應用SSR標記結合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，為下一步目標性狀主效QTL精細定位提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用RA×M5P經10代自交構建而成的包含205個家系的RIL群體。

1.2 表型數據調查

2014年底及2015年夏，將RA×M5P 的RIL群體親本及205個家系分別種植于海南省三亞市藤橋鎮江蘇省南繁中心玉米試驗田、江蘇省淮安市江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所試驗田。采用行長4 m、行距0.6 m、每行16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

分子標記遺傳圖譜共擬合916個標記，其中732個SNP標記，184個SSR標記，覆蓋玉米10條連鎖群，遺傳圖譜全長1 367 cM，標記間平均距離為1.5 cM。其中第8號連鎖群上的標記數最多，有142個標記，第10號連鎖群的標記數最少，為41個標記。標記間的平均距離最大的是第10號染色體，距離為3.3 cM，標記間平均間距離最小的是第4號染色體，距離為0.8 cM。

1.4 表型數據分析及QTL作圖

目標性狀表型數據應用SPSS 16.0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，得到方差顯著情況，并根據ANOVA的分析結果估算廣義遺傳力。在WinQTL Cartographer 中運用復合區間作圖法(CIM)，分析檢測RIL群體雄穗主要性狀的QTL數目，位置及效應。

2 結果與分析

2.1 表型數據分析

表1對RIL群體在2014年海南、2015年淮安2種環境條件下雄穗長(TL)、雄穗分枝數(TBN)、雄穗重(TW)等雄穗性狀的表型數據進行了統計分析。從表中可以看出，親本RA及M5P在雄穗主要性狀上差異較大。方差分析結果表明，RIL群體各雄穗性狀的遺傳方差以及基因型與環境的互作基本上均達到極顯著水平，表明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2014年海南、2015年淮安2個環境條件下，RIL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。次數分布圖顯示，RIL群體的雄穗長、雄穗分枝數及雄穗重在群體內分布比較廣泛，頻數分布近似符合正態分布，可以用于QTL定位分析。通過相關性檢驗分析可以看出，雄穗分枝數和雄穗重在不同的環境中均存在顯著相關，雄穗長與雄穗分枝數在2個環境中相關性均不顯著，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。

2.2 QTL定位分析

在2014年海南、2015年淮安2個環境條件下，分析檢測RIL群體玉米雄穗主要性狀的QTL數目，位置及效應(表2)。共檢測到3個與TL性狀連鎖的QTL位點，分別位于第3、5、8號染色體上，可解釋表型變異的5.19%～5.97%；共檢測到5個與TBN性狀連鎖的QTL位點，分別位于第1、2、3、9號染色體上，可解釋表型變異的3.66%～8.41%；共檢測到3個與TW性狀連鎖的QTL位點，分別位于第4、8號染色體上，可解釋表型變異的4.39%～13.65%。

***,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水平下差異顯著圖1 不同環境條件下RIL群體雄穗主要性狀的次數分布

性狀環境Bin值左標記右標記LOD貢獻率/%加性效應TL2015淮安3.09PZE-103183391umc16392.192 75.970 7-0.944 92015淮安5.05PZE-105129248SYN145222.616 35.187 50.878 22015淮安8.04PZE-108056460PZE-1080575282.003 15.190 80.935 2TBN2014海南1.04SYN20147PZE-1010865243.636 98.405 3-0.936 62015淮安1.04SYN20147PZE-1010865243.209 25.949 8-0.880 42015淮安1.05～1.11PZE-101252431PZE-1011055152.021 63.659 40.699 22015淮安2.09PZE-102189664SYN330052.243 03.876 0-0.728 62015淮安3.06PZE-103112971SYN232372.102 46.865 8-1.065 62014海南9.03umc2338PZE-1090490792.913 36.776 4-0.840 22015淮安9.03umc2338PZE-1090490793.231 86.025 9-0.885 0TW2014海南4.04～4.06PZE-104080388PZE-1040226082.725 84.393 70.386 22015淮安4.04～4.06PZE-104080388PZE-1040226082.945 25.583 40.393 82014海南4.08PZE-104103747PZE-1040338959.465 311.890 6-0.635 42015淮安4.08PZE-104103747PZE-1040338959.363 013.652 5-0.616 12015淮安8.03PZE-108047059PZE-1080579783.257 04.426 60.359 1

3 小結與討論

3.1 雄穗主要性狀QTL的穩定性

已有的研究表明，玉米雄穗性狀(包括雄穗長TL、雄穗分枝數TBN、雄穗重TW等性狀)為多基因控制的數量遺傳性狀，容易受到環境、材料等因素的影響[10-14]，同一研究者在不同環境下、不同群體材料中檢測定位的結果往往存在著不同程度的差異，而在不同環境或不同材料中均能穩定檢測到的QTL位點，可作為玉米雄穗性狀分子標記輔助選擇、精細定位及基因克隆的候選位點。楊釗釗等[8]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，不同群體檢測到的一致性QTL比較少，共檢測到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。劉軍霞等[15]以掖488×Va35-2 構建的230個F2∶3家系，結合2個環境下的表型鑒定，對不同生態環境下的玉米雄穗分枝數和雄穗主軸長進行QTL定位和效應分析，在2個環境下同時檢測到8個穩定表達的QTL(包括4個雄穗分枝數QTL，分別位于染色體bin值3.04、5.04、7.02、9.01～9.02位置，以及4個雄穗長QTL，分別位于染色體bin值2.05、3.04、9.01～9.02、10.01位置)。本研究在淮安、海南2個環境中，穩定檢測到2個與TBN連鎖的QTL位點，分別位于染色體bin值1.04、9.03位置；穩定檢測到2個與TW連鎖的QTL位點，分別位于染色體bin值4.04-4.06、4.08位置。這些不同環境條件下穩定檢測到的雄穗性狀QTL位點可以為進一步的遺傳研究提供理論基礎。

3.2 與同類試驗的比較

本研究在淮安條件下共檢測到3個與雄穗長(TL)性狀連鎖的QTL位點，位于染色體bin值3.09、5.05、8.04位置，可解釋表型變異的5.19%～5.97%，在海南條件下沒有檢測到與之連鎖的位點。高世斌等[7]在包含103個SSR標記的連鎖圖譜基礎上，運用復合區間作圖法檢測玉米組合(N87-1×9526)F3家系在正常與干旱脅迫環境下的雄穗分枝數與主軸長性狀QTL。2個環境下共檢測到5個與TL性狀連鎖的QTL位點，分別位于2、4、6、10號染色體上，與本研究相比沒有共同的位點。另外楊釗釗等[8]、劉軍霞等[15]也對TL性狀進行了定位研究，但與本研究結果也存在著較大的差異。雄穗分枝數(TBN)方面，本研究在2個環境條件下共檢測到5個與之連鎖的QTL位點，分別位于染色體bin值1.04、1.05～1.11、2.09、3.06、9.03位置，可解釋表型變異的3.66%～8.41%。王迪等[9]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，分別位于1、2、3、4、6、7、8、10號染色體上，其中檢測到的Qqtpbn1-3、Qqtpbn1-4、Qqtpbn1-5、Qqtpbn3-2分別位于染色體bin值1.04、1.10、1.11、3.06位置與本試驗的研究結果比較一致。白成銀[16]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，其中位于染色體bin值3.06位置的QTL位點與本研究比較一致。而Mickelson等[5]、高世斌等[7]的研究結果與本試驗差異較大。雄穗重(TW)方面，本研究在2個環境下共檢測到3個與之連鎖的QTL位點，分別位于染色體bin值4.04～4.06、4.08、8.03位置，可解釋表型變異的4.39%～13.65%，其中位于染色體bin值4.08位置的QTL位點效應值較大，在淮安、海南2個環境中可分別解釋表型變異的13.65%、11.89%。前人對于雄穗重的QTL定位研究相對較少，王迪等[9]在Q/H群體中檢測的位點位于1、6、7、9、10號染色體上，與本研究沒有共同位點。

綜上，本研究與他人研究結果有一定的一致性，但由于遺傳材料、環境等因素的不同，雄穗主要性狀的定位結果與他人相比有著較大的差異。而不同研究人員對雄穗主要性狀QTL定位結果存在不同程度的差異，不利于目標性狀的主效QTL的精確定位和克隆，大大限制了分子標記輔助選擇的應用。如何提高目標性狀QTL 定位的準確性和穩定性，并應用于育種實踐，仍需要進一步研究探索。