玉米籽粒含水量相關(guān)性狀QTL定位

李露露　張磊　崔敏　鄧德祥　劉歡歡　任姣姣　李志鵬　印志同

摘要：玉米籽粒含水量與玉米機(jī)械化收獲密切相關(guān)。定位玉米成熟后籽粒含水量相關(guān)性狀位點(diǎn)對利用分子標(biāo)記輔助選擇開展宜機(jī)械化收獲玉米品種選育和克隆相關(guān)基因具有指導(dǎo)意義。利用RA×M53重組自交系為試驗(yàn)材料，在2個大田種植條件下，測定玉米成熟后籽粒含水量以及與籽粒含水量相關(guān)的果穗苞葉數(shù)、苞葉長等性狀，利用已構(gòu)建的遺傳圖譜進(jìn)行數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）分析，共檢測到15個相關(guān)的QTL，LOD值為2.52～6.71，其中，位于第1、6、9號染色體上的qGm1-1、qGm6-1、qBl9-1、qGm9-1在2個環(huán)境下均穩(wěn)定表達(dá)。

關(guān)鍵詞：玉米;重組自交系;籽粒含水量;數(shù)量性狀位點(diǎn)

中圖分類號： S513.03文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）09-0093-03

由于我國農(nóng)村勞動力向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)種植方式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，玉米機(jī)械化收獲已成為發(fā)展方向。玉米成熟后的籽粒含水量與玉米籽粒機(jī)械化收獲密切相關(guān)。籽粒的含水量過高，直接進(jìn)行機(jī)收脫粒，不僅籽粒易破損，導(dǎo)致產(chǎn)量損失，還增加了烘干成本[1-2]。研究表明，玉米籽粒適宜機(jī)收的含水量應(yīng)低于27%，但我國目前生產(chǎn)上應(yīng)用的大多數(shù)玉米品種成熟后的籽粒含水量在30%～40%之間[3]。因此，迫切需要選育成熟后籽粒含水量較低的玉米品種。

玉米成熟后籽粒含水量在不同品種間存在遺傳差異。劉思齊等以東北地區(qū)最有代表性的4個玉米品種為試材[4]，對籽粒含水量相關(guān)性狀比較分析發(fā)現(xiàn)，先玉335籽粒含水量最低，果穗風(fēng)干速度快，適合機(jī)收。隨著分子標(biāo)記和數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）定位技術(shù)發(fā)展，目前已發(fā)現(xiàn)超過40個與玉米籽粒含水量相關(guān)的QTL[5-9]。但含水量相關(guān)性狀是復(fù)雜的數(shù)量性狀，受遺傳材料和環(huán)境的影響較大，已有的定位結(jié)果不盡一致，只有在多個環(huán)境和多種遺傳材料中都穩(wěn)定表達(dá)的QTL對育種工作才具有較大利用價(jià)值。另外，玉米雌穗的苞葉特征影響籽粒含水量。苞葉層數(shù)少、長度適中而蓬松的玉米品種生育后期籽粒脫水速率快，成熟后的籽粒含水量通常較低[10-11]。迄今，同時定位籽粒含水量和苞葉性狀QTL的研究還比較少。

本研究以1套包含242份家系的玉米重組自交系群體為材料，在2個大田種植條件下，同時定位成熟后玉米籽粒含水量、苞葉數(shù)和苞葉長等性狀QTL，并與其他研究結(jié)果進(jìn)行比較，以期發(fā)現(xiàn)影響籽粒含水量的關(guān)鍵QTL，為利用分子標(biāo)記輔助選擇開展宜機(jī)械化收獲玉米品種選育和克隆相關(guān)基因提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以玉米自交系RA和M53為親本配制組合，從F2代采用單粒傳法連續(xù)自交，構(gòu)建了一套包含242個家系的重組自交系群體。該群體的SSR圖譜全長1 367 cM，包含916個分子標(biāo)記，標(biāo)記間平均距離1.5 cM，較好地覆蓋了玉米的10條染色體[12]。

1.2 田間試驗(yàn)及表型鑒定

2015年冬季在海南省江蘇南繁中心、2016年春在江蘇省揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)田分別種植RA×M53重組自交系群體。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)2次，單行區(qū)，每行種植10株，行長3 m，行距0.55 m，株距0.25 m。田間水肥管理同常規(guī)大田。

為了減少玉米生育期以及環(huán)境因素對試驗(yàn)造成的影響，在玉米雌穗未吐絲前選擇生長一致的植株套雌穗，待花絲抽出后，統(tǒng)一進(jìn)行人工授粉，掛牌標(biāo)記授粉日期[13]。授粉后 45 d 對統(tǒng)一授粉植株進(jìn)行田間觀察，選取苞葉黃度一致、乳線移近籽粒基部的玉米果穗進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)[14]。2015年挑選了符合上述標(biāo)準(zhǔn)的194個家系，2016年挑選了177個符合上述標(biāo)準(zhǔn)的家系。選取的家系每行隨機(jī)取3株標(biāo)記植株，用艾格瑞水分儀SH-02（深圳市艾格瑞儀器有限公司）測定標(biāo)記的植株籽粒含水量，重復(fù)2次。摘取對應(yīng)標(biāo)記植株玉米果穗，由外向內(nèi)撥開苞葉，計(jì)數(shù)苞葉張數(shù)。用直尺量取撥開苞葉的長度。

1.3 數(shù)據(jù)處理及玉米籽粒含水量相關(guān)QTL定位

本研究運(yùn)用SPSS 25.0對重組自交系群體的各性狀進(jìn)行表型描述性分析和相關(guān)分析。每個性狀計(jì)算各家系平均值進(jìn)行QTL定位。采用R軟件的QTL軟件包，復(fù)合區(qū)間作圖法，結(jié)合分子標(biāo)記和表型數(shù)據(jù)，以LOD閾值為2.5、逐步回歸概率P<0.001、步進(jìn)區(qū)間為1 cM進(jìn)行加性QTL定位。

2 結(jié)果與分析

2.1 籽粒含水量相關(guān)性狀表型分析

分別對親本RA、M53和重組自交系群體成熟后的籽粒含水量、苞葉數(shù)、苞葉長度等性狀進(jìn)行測定。通過比較2個親本表型發(fā)現(xiàn)，所調(diào)查的3個性狀均存在顯著差異（表1）。從重組自交系群體調(diào)查的性狀頻數(shù)分布來看，均出現(xiàn)一定數(shù)量的超親類型，且是雙向超親分離，呈近似正態(tài)分布，2年均呈現(xiàn)類似的特征，表明這些性狀為多基因控制的數(shù)量性狀（圖1）。

相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，果穗苞葉數(shù)、苞葉長與籽粒含水量均存在極顯著的正相關(guān)（表2），2年表現(xiàn)出相同的趨勢。表明這2個性狀對玉米的籽粒含水量有一定程度的影響。基于這2個性狀與含水量間的相關(guān)關(guān)系，有必要進(jìn)一步研究它們的遺傳特性。

2.2 成熟后籽粒含水量相關(guān)QTL定位結(jié)果

利用R軟件的QTL復(fù)合區(qū)間作圖法在全基因組范圍對重組自交系群體在2015年海南和2016年揚(yáng)州的苞葉數(shù)、苞葉長度、成熟后的籽粒含水量3個性狀進(jìn)行QTL定位。2年共計(jì)定位到15個QTL，這些QTL分別位于1、3、4、5、6、7、9染色體上，其中2015年海南定位到11個QTL，2016年揚(yáng)州定位到8個QTL，2年共同定位到的QTL有4個。

2個環(huán)境共檢測到7個與苞葉長相關(guān)的QTL（表3），分別為qBl1-1、qBl3-1、qBl4-1、qBl5-1、qBl7-1、qBl7-2、qBl9-1，解釋的表型變異為2.34%～10.25%。其中在2016年揚(yáng)州定位到的qBl3-1表型貢獻(xiàn)率達(dá)到了10.25%。位于9號染色體上的qBl9-1在2015海南和2016揚(yáng)州2個環(huán)境下穩(wěn)定表達(dá)，由來自母本RA的等位基因起增效作用，可解釋的表型變異為2.34%～5.50%。

2個環(huán)境共檢測到4個與苞葉數(shù)相關(guān)的QTL（表3），分別為qBs1-1、qBs3-1、qBs4-1、qBs6-1，可解釋的表型變異為1.14%～6.34%，除了qBs4-1是由父本的等位基因起增效作用，其余的3個QTL都由母本的等位基因起增效作用。

2個環(huán)境共檢測到4個與成熟后籽粒含水量相關(guān)的QTL位點(diǎn)（表3），分別為qGm1-1、qGm4-1、qGm6-1、qGm9-1，這些QTL可解釋的表型變異為2.19～9.28%。其中位于1、6、9號染色體上與含水量相關(guān)的qGm1-1、qGm6-1、qGm9-1在2015海南和2016揚(yáng)州2個環(huán)境下都能夠穩(wěn)定表達(dá)。qGm1-1、qGm9-1由來自母本RA的等位基因起增效作用，qGm6-1由來自父本M53的等位基因起增效作用。

3 討論與結(jié)論

已有研究表明，玉米的苞葉數(shù)、苞葉長度與成熟后籽粒含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，苞葉數(shù)目越多、越長，成熟后籽粒含水量相對越高[10-11]。本研究在2年測得的苞葉數(shù)、苞葉長度與成熟后籽粒含水量呈極顯著正相關(guān)，與已有研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)控制苞葉長的qBl4-1與控制含水量的qGm4-1置信區(qū)間重疊;控制苞葉數(shù)的qBs6-1與控制含水量的qGm6-1置信區(qū)間重疊，說明控制他們的基因是一因多效或是在染色體上緊密連鎖。在新品種選育上可以適當(dāng)選育苞葉少且短的玉米品種。

本研究發(fā)現(xiàn)4個在2年環(huán)境中都穩(wěn)定表達(dá)的QTL，分別為qBl9-1、qGm1-1、qGm6-1、qGm9-1。其中，qGm9-1與Sala等定位的與籽粒含水量相關(guān)的QTL9/34置信區(qū)間重疊[7]，因此，該QTL可能具有較大研究利用價(jià)值，可作為今后利用分子標(biāo)記輔助選擇培育籽粒含水量低玉米品種或克隆相關(guān)基因優(yōu)先考慮的位點(diǎn)。本研究檢測到的其他QTL定位區(qū)間與前人不重疊，原因可能與試驗(yàn)材料、試驗(yàn)環(huán)境有關(guān)，也可能是因?yàn)檫@些區(qū)間包含新的與籽粒含水量相關(guān)的QTL位點(diǎn)。

數(shù)量性狀的表達(dá)是個體基因型和環(huán)境條件協(xié)同作用的結(jié)果。本研究定位到的QTL可解釋的遺傳變異較小，最高的僅為10.25%，這可能與玉米籽粒含水量相關(guān)性狀遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜，且受溫度、密度、降水、濕度等環(huán)境因素影響有關(guān)[15]。

參考文獻(xiàn)：

[1]李淑芳，張春宵，路 明，等. 玉米籽粒自然脫水速率研究進(jìn)展[J]. 分子植物育種，2014，12（4）：825-829.

[2]柳楓賀. 影響玉米機(jī)械收粒質(zhì)量的主要因素研究[D]. 石河子：石河子大學(xué)，2013.

[3]謝瑞芝，雷曉鵬，王克如，等. 黃淮海夏玉米子粒機(jī)械收獲研究初報(bào)[J]. 作物雜志，2014（2）：76-79.

[4]劉思奇，鐘雪梅，李鳳海，等. 東北地區(qū)4個代表性玉米品種的灌漿和脫水速率比較[J]. 種子，2015，34（12）：69-72.

[5]Austin D F，Lee M，Veldboom L R，et al. Genetic mapping in maize with hybrid progeny across testers and generations：grain yield and grain moisture[J]. Crop Science，2000，40（1）：30-39.

[6]Ho J，McCouch S，Smith M. Improvement of hybrid yield by advanced backcross QTL analysis in elite maize[J]. Theoretical and Applied Genetics，2002，105（2/3）：440-448.

[7]Sala R G，Andrade F H，Camadro E L，et al. Quantitative trait loci for grain moisture at harvest and field grain drying rate in maize （Zea mays L.）[J]. Theoretical and Applied Genetics，2006，112（3）：462-471. [LM]

[8]Song W，Shi Z，Xing J F，et al. Molecular mapping of quantitative trait loci for grain moisture at harvest in maize[J]. Plant Breeding，2017，136（1）：28-32.

[9]Xiang K，Reid L M，Zhang Z M，et al. Characterization of correlation between grain moisture and ear rot resistance in maize by QTL meta-analysis[J]. Euphytica，2012，183（2）：185-195.

[10]張 林，張寶石，王 霞，等. 玉米收獲期籽粒含水量與主要農(nóng)藝性狀相關(guān)分析[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40（10）：9-12.

[11]馬智艷，董永彬，喬大河，等. 不同種質(zhì)玉米雜交種苞葉性狀特征分析[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，44（2）：15-18.

[12]Yin Z T，Wang Y Q，Wu F F，et al. Quantitative trait locus mapping of resistance to Aspergillus flavus infection using a recombinant inbred line population in maize[J]. Molecular Breeding，2014，33（1）：39-49.

[13]劉顯君，王振華，王 霞，等. 玉米籽粒生理成熟后自然脫水速率QTL的初步定位[J]. 作物學(xué)報(bào)，2010，36（1）：47-52.

[14]秦營營，董樹亭. 夏玉米子粒乳線比例與含水量、粒重及營養(yǎng)物質(zhì)積累的關(guān)系[J]. 玉米科學(xué)，2014（2）：81-86.

[15]韓 托. 玉米適宜機(jī)械化收獲相關(guān)性狀的遺傳研究[D]. 鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.