甜玉米種質資源種子性狀全基因組關聯分析

徐運林 房浩 周柏宇 易月明 王長進 程昕昕 余海兵

摘要：?粒長、粒寬、粒厚、百粒質量是影響玉米籽粒產量的重要性狀，本研究主要統計分析了100份甜玉米種質資源的粒長、粒寬、粒厚和百粒質量等4個種子性狀，并利用37 297個單核苷酸多態性（SNP）標記位點關聯分析了控制甜玉米種子性狀的重要位點。結果表明，100份甜玉米種質資源種子性狀具有豐富的遺傳多樣性，性狀變異幅度比較大，其中粒長為4.65～10.43 mm，粒寬為5.13～9.42 mm，粒厚為2.04～7.50 mm，百粒質量為4.51～20.09 g;表型變異分析發現，百粒質量的變異系數最大，為32.60%，粒寬的變異系數最小，為10.61%，且4個籽粒性狀的頻率分布曲線基本符合正態分布。相關性分析結果表明，粒長、粒寬、粒厚與百粒質量呈極顯著正相關，粒長與粒厚呈極顯著負相關。全基因組關聯分析共檢測到控制4個種子性狀的75個SNP標記位點，其中有17個SNP標記位點與粒長性狀有關，24個SNP標記位點與粒寬性狀有關，11個SNP標記位點與粒厚性狀有關，23個SNP標記位點與百粒質量性狀有關。

關鍵詞：?甜玉米;籽粒性狀;單核苷酸多態性（SNP）;全基因組關聯分析（GWAS）

中圖分類號：?S330;S513??文獻標識碼：?A??文章編號：?1000-4440（2021）02-0289-07

Abstract：?The grain length， grain width， grain thickness and hundred-grain weight are important traits affecting the yield of maize.?Four characters of seeds such as grain length， grain width， grain thickness and hundred-grain weight of 100 germplasm resources of sweet maize were summarized and analyzed in this study， and 37 297 single nucleotide polymorphism （SNP） loci were used to make correlation analysis on the important loci controlling the grain traits of sweet maize.?The results showed that the grain traits of 100 germplasm resources of sweet maize had abundant genetic diversity with a relatively large variation range.?The grain length was 4.65-10.43 mm， the grain width was 5.13-9.42 mm， the grain thickness was 2.04-7.50 mm and the hundred-grain weight was 4.51-20.09 g.?Analysis on the phenotypic variation revealed that， the variable coefficient of the hundred-grain weight was the highest， with a value of 32.60%， and the variable coefficient of the grain width was the lowest， with a value of 10.61%.?The distribution curves of frequencies of four grain traits were basically conformed to normal distribution.?Results of correlation analysis showed that， the grain length， grain width and grain thickness were positively correlated with the hundred-grain weight very significantly， the grain length was negatively correlated with the grain thickness very significantly.?A total of 75 SNP loci controlling the traits of four seeds were detected through genome-wide association study.?Among the 75 SNP loci， 17 SNP loci were related with the grain length， 24 SNP loci were related with the grain width， 11 SNP loci were related with the grain thickness and 23 SNP loci were related with the hundred-grain weight.

Key words：?sweet maize;grain traits;single nucleotide polymorphism（SNP）;genome-wide association study（GWAS）

甜玉米（Sweet corn）是一種重要的果蔬作物，又稱甜質型玉米 （Zea mays），其籽粒中含有較高含量的水溶性多糖、粗脂肪、淀粉、多種游離氨基酸和維生素[1]，主要是由胚乳中su1、su2、sh1、sh2、sh4等控制糖分的基因發生突變獲得的材料[2]。

種質資源是研究生物遺傳的重要材料，利用種質資源多樣性，可使群體內有更多的重組交換，創造新的種質類型，進而在分子水平上精確定位，也可檢測多個目標性狀和等位基因，為后續的育種工作提供研究基礎[3-5]。關聯分析以連鎖不平衡為基礎，將變異基因整合到一起，可分為全基因組關聯研究（GWAS）和候選基因關聯分析[6]。全基因組關聯研究指用一定數目的單核苷酸多態性（SNP）分子標記對目標群體中的各個試驗材料進行全基因組范圍內的檢測分析，再用相關軟件對分子標記多態性和表型性狀的數據進行關聯分析，從而得到與表型性狀變異相關聯的分子標記[7]。近年來，GWAS分析已在水稻[8]、亞麻[9]、小麥[10]、大麥[11]等作物上得到廣泛應用。

SNP（Single nucleotide polymorphism）即單核苷酸多態性，主要是指基因組上單個核苷酸發生的突變 [5]。SNP以較高的遺傳穩定性、數量大、代表性強、易于實現自動化分析以及性價比高的特點迅速替代SSR成為新一代分子標記。史亞興等[12]利用1 031個SNP標記將39份甜玉米自交系劃分為5個類群;Bel等[13]利用8 590個SNP標記定位到控制玉米籽粒脂肪酸含量的候選基因fad2;2013年，Yang等[14]利用527份玉米自交系關聯定位到控制玉米籽粒油分的74個顯著位點;Rashid等[15]利用368個玉米自交系關聯定位到高粱霜霉病的26個SNP位點。而有關甜玉米種子粒型性狀關聯分析的研究鮮見報道，因此，本研究利用安徽科技學院玉米工程技術研究中心100份甜玉米種質資源統計分析粒長、粒寬、粒厚和百粒質量4個性狀，并利用37 297個SNP分子標記進行GWAS分析，為解析控制甜玉米種子性狀的位點提供理論支持。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

本研究主要采用2018年、2019年安徽科技學院鳳陽校區雷達山實驗基地所種植的100份甜玉米自交系育種資源進行試驗。100份甜玉米材料為M610（紅）、F91GT8-4-1、14T4、F910GT8-4-1/Q267、1029黑-1-2-3、泰鮮泰-1、MS10-1、Q8（父）、3102（母）、YNT48、YNT6-2、9357、 Q7（母）、15NKY238、圣甜169-2、宮玉甜7號-3、15美玉甜007、FPT161、3174、YNT7-1（白）、斯達甜221-1、云甜王9號-10、YNT11、上海T、YNT50-2、YNT19-2、E134（白）、金甜2號（母）、秦甜98-4、MS9-1、F910GT8-4-1、E52（白）、E66-2、16粵甜16號、15HT0213X夏王、A38-11、16H滬甜2號、晶甜-1-1、E46-1、12HT022、TBF3109、E36、云南玉9號-4、16筑甜213、筑甜213-親、BF2101（白）、E27-2、夏王（母）、廣（甜糯）07、Q11（母）、Q10（父）、15白甜-1-1、T18（母）、E23-1、HT060、FT11、SH-X、T20嘉（母）、16黃T、M610（黃）、14花甜、YW1602、尖葉團粒、FT4、XSJD10、廣甜（）-2-2、黑CSB（母）、16HT01（父）、金甜2號（父）、黃甜-21-8、Q267、HT2、T16（母）、奧弗蘭（SO）、引外甜、3176、BF3109、14WTX10、仲鮮甜-2、628（父）、夏王（父）、GS1-1、1048、19FT135、夏王（母）、TB010-3、廣甜2號、T358（母）、14ATQT、T4、12HT00-1-黑、華珍（母）、2497黃、F910GT8-4-1/Q267、12HT073-4-1（黃）、12HT073-2、Q267/夏王、14T2-1、廣甜（父）、粉紅甜-1-2。

1.2?試驗方法

1.2.1?測定方法?在甜玉米自交系果穗吐絲前進行套袋，抽雄散粉后人工輔助授粉，待成熟后，收獲，曬干，脫粒，取3個果穗中部種子混合備用，分別稱量其種子的百粒質量，設置3次重復，再從中各取20粒大小、形狀相似，健康飽滿的種子，測量粒長、粒寬、粒厚（使用游標卡尺），最后以每次重復的平均值作為所調查籽粒性狀的值。

1.2.2?表型變異分析和相關性分析?利用SPSS Statistics 22統計分析軟件和Excel 2016統計分析100份甜玉米自交系的粒長、粒寬、粒厚和百粒質量4個種子性狀，計算最大值、最小值、平均數、標準差、變異系數，繪制正態分布圖，并對4個性狀進行相關性分析。

1.2.3?全基因組關聯分析?采用TASSEL 2.1軟件中的一般線性模型（Q，GLM），分別對4個種子性狀進行全基因組關聯分析，推斷出SNP標記與各個性狀之間存在的關聯性。

2?結果與分析

2.1?100份甜玉米材料的群體結構分析

選取過濾后的SNP標記進行群體結構分析（圖1）發現：當K為2時，對應的△K最大，然后△K迅速下降并趨于平緩，因此可以將這100份甜玉米材料劃分為2個亞群，其中亞群1包括92份種質，亞群2包括8份種質。

2.2?表型變異分析

從表1可知，100份甜玉米種子的粒長、粒寬、粒厚和百粒質量等4個性狀的差異比較大，其中粒長的變幅為4.65～10.43 mm，均值為7.87 mm，標準差為1.22 mm;粒寬的變幅為5.13～9.42 mm，標準差為0.79 mm;粒厚的變幅為2.04～7.50 mm，標準差為0.93 mm;百粒質量的變幅為4.51～20.09 g，標準差為3.12 g;百粒質量的變異系數最大（32.60%），粒寬的變異系數最小（10.61%）。從圖2來看，4個性狀的頻率分布曲線基本符合正態分布，表現出數量性狀特征，說明粒長、粒寬、粒厚和百粒質量的遺傳受多基因控制，進一步表明100份甜玉米自交系具有較豐富的遺傳多樣性，可為甜玉米育種提供豐富的親本材料。

2.3?相關性分析

100份甜玉米自交系種子的粒長、粒寬、粒厚和百粒質量等性狀的皮爾遜相關性分析結果表明，百粒質量與粒長、粒寬、粒厚均表現為極顯著正相關，粒長與粒厚表現為極顯著負相關，粒長、粒厚與粒寬的相關性均不顯著（表2）。

2.4?關聯分析

通過對甜玉米56 000個SNP標記中連鎖不平衡強度較高（R2>0.3）的標記進行過濾，得到了37 297個SNP位點，共檢測到75個與粒長、粒寬、粒厚和百粒質量有關的顯著位點，其中控制粒長的有17個顯著關聯位點，控制粒寬的有24個顯著關聯位點，控制粒厚的有11個顯著關聯位點，控制百粒質量的有23個顯著關聯位點。

2.4.1?粒長?如表3所示，在-lgP>3水平下，利用GLM-Q方法分析得出位于甜玉米1、3、4、8、10號染色體上的17個SNP位點與粒長性狀顯著關聯，其中在-lgP>5水平下，位于1號染色體上第19 611 619個堿基上的Affx-11533是與粒長性狀極顯著關聯的SNP位點，貢獻率最大，為25.49%。

2.4.2?粒寬?如表4所示，利用GLM-Q方法在-lgP>3水平的GWAS分析結果表明，24個SNP位點與粒寬性狀相關聯，分別位于第1、2、3、4、5、8、9、10號染色體上。其中在-lgP>4水平下，位于1號染色體上第244 631 581、289 538 157個堿基上的Affx-91280、Affx-11533的2個SNP位點與粒寬性狀極顯著關聯，貢獻率分別為18.46%、17.39%。

2.4.3?粒厚?如表5所示， 在-lgP>5水平的GWAS分析結果表明，11個SNP位點與粒厚性狀相關聯，分別位于第2、3、4、10號染色體上，其中在-lgP>6水平下，檢測到5個SNP位點與粒厚性狀極顯著相關，分別位于3號染色體上第140 868 078、88 384 601、140 285 367、57 762 013個堿基上的Affx-90839、Affx-90505、Affx-90178、Affx-90075處和第4號染色體第200 963 685堿基上的Affx-90110，貢獻率分別為27.97%、27.53%、25.79%、25.36%和 25.37%。

2.4.4?百粒質量?如表6所示，在-lgP>4水平下，利用GLM-Q方法分析得出23個SNP位點與百粒質量性狀相關聯，分別位于甜玉米的第2、3、4、6、7、8、9號染色體上，其中位于7號染色體上第129 236 674、123 110 014、149 940 420個堿基上的Affx-90265、Affx-91170、Affx-90113 3個SNP位點與百粒質量性狀極顯著相關，貢獻率分別為25.27%、24.77%、22.13%。

3?討論

3.1?100份甜玉米種質資源4個籽粒性狀的表型變異分析和相關性分析

李用財[16]的研究結果表明，玉米產量與百粒質量呈極顯著正相關，即通過提高百粒質量可以有效提高玉米產量;李春雨[1]研究得出133份甜玉米自交系百粒質量的均值為26.31 g，變幅為13.28～45.12 g。本研究結果表明，100份甜玉米種質資源種子4個性狀分布曲線基本符合正態分布，表現出數量性狀特征，說明粒長、粒寬、粒厚和百粒質量4個籽粒性狀的遺傳受多基因控制。相關性分析結果表明，甜玉米粒長、粒寬、粒厚與百粒質量呈極顯著正相關;粒長與粒厚呈極顯著負相關，與粒寬無顯著相關性;粒寬與粒厚無顯著相關性。因此，100份甜玉米自交系4個籽粒性狀間差異較大，具有較豐富的遺傳多樣性，可為甜玉米育種提供豐富的親本材料。

3.2?100份甜玉米種質資源4個種子性狀的全基因組關聯分析

前期一些學者們利用SNP位點得出控制小麥、水稻、玉米等主要作物粒型的主要位點[17-20]，其中，趙檀[17]檢測到9個與小麥百粒質量相關聯的位點，Fang等[19]檢測到8個與水稻粒型相關聯的位點，Hu等[20]對282份玉米自交系用2 271 584個SNP標記檢測到17個耐冷性遺傳位點，李春雨[1]用一般線性模型（GLM）和混合線性模型（MLM）檢測到位于第1、5和7號染色體上的9個與百粒質量相關聯的SNP標記位點。楊寧[5]檢測到9個與玉米粒寬性狀相關聯的SNP標記位點。本研究經GWAS分析共獲得75個控制甜玉米種子性狀的SNP標記位點，其中控制粒長的SNP標記位點有17個，控制粒寬的SNP標記位點有24個，控制粒厚的SNP標記位點有11個，控制百粒質量的SNP標記位點有23個， 在候選區間內共有231個基因，找到96個候選基因參與玉米種子生長發育，這些基因主要與玉米赤霉素（GAs）、生長素（IAA）、油菜素內酯（BRs）的生物合成和信號轉導途徑有關。

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（責任編輯：陳海霞）