甜玉米籽粒體積和粒重的全基因組關(guān)聯(lián)分析

肖穎妮 李高科 李 坤 于永濤 李光玉 李 武 高穎珊 胡建廣

(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物研究所/廣東省農(nóng)作物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640)

甜玉米是普通玉米中1個(gè)或幾個(gè)基因發(fā)生突變而形成的一種特用玉米，其營(yíng)養(yǎng)豐富，適口性好，風(fēng)味獨(dú)特，深受廣大消費(fèi)者青睞。隨著人們生活水平的提高，甜玉米由于容易種植、經(jīng)濟(jì)效益好、生長(zhǎng)周期短而深受種植農(nóng)戶的青睞，種植面積逐年增加，2019年，我國(guó)種植面積已達(dá)53萬(wàn)hm。高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)一直都是作物育種重要的目標(biāo)。粒重和籽粒大小作為產(chǎn)量的主要構(gòu)成因子，與產(chǎn)量直接相關(guān)。甜玉米籽粒鮮重和干重顯著正相關(guān)(

r

=0.89，

P

=2.2×10)，提高甜玉米干粒重不僅可以提高制種產(chǎn)量，也意味著鮮穗產(chǎn)量的提高，增加籽粒體積一定程度上也可以提高產(chǎn)量。因此，深入剖析甜玉米籽粒體積和粒重的遺傳基礎(chǔ)對(duì)提高甜玉米產(chǎn)量具有極其重要的意義。大量的籽粒突變體為克隆調(diào)控玉米籽粒粒重和籽粒大小的基因提供了寶貴的遺傳資源。通過(guò)突變體克隆影響籽粒粒重和籽粒大小的基因主要包含3類：第一類是胚乳中淀粉合成代謝相關(guān)基因(

sh2

，

sh1

，

bt1

，

bt2

和

su1

等)，這些基因突變主要導(dǎo)致胚乳淀粉含量下降，從而使得粒重降低；第二類是影響胚發(fā)育的基因(

emp2

，

emp12

，

dek14

和

dek15

等)，這些基因突變導(dǎo)致胚敗育，最終籽粒發(fā)育不良；第三類是基部胚乳轉(zhuǎn)移層區(qū)相關(guān)基因(

mn1

)，這類基因突變主要導(dǎo)致籽粒變小，粒重也隨之降低。但是，突變體導(dǎo)致籽粒發(fā)生劇烈變化，極端的表型很難直接用于籽粒的遺傳改良。利用QTL定位以及全基因組關(guān)聯(lián)分析方法是解析數(shù)量性狀遺傳基礎(chǔ)的重要手段，截止目前，已經(jīng)定位了上千個(gè)與玉米粒重和籽粒大小相關(guān)的QTL (www.maizegdb.org/qtl)或位點(diǎn)，并成功克隆了4個(gè)與粒重相關(guān)基因，分別為編碼己糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的

ZmSWEET4c

、編碼細(xì)胞壁轉(zhuǎn)移酶的

ZmINCW1

、編碼BAM相關(guān)蛋白激酶的

ZmBAM1d

和編碼三角狀五肽重復(fù)(PPR)蛋白的

qKW9

。

隨著玉米基因組參考序列的測(cè)序完成以及測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study, GWAS)已成功解析玉米多個(gè)復(fù)雜數(shù)量性狀的遺傳基礎(chǔ)，包含籽粒品質(zhì)性狀、植株抗逆性狀和株型性狀等。然而，對(duì)甜玉米籽粒體積和粒重遺傳基礎(chǔ)解析的研究卻鮮少報(bào)道。本研究以209份具有廣泛代表性的甜玉米自交系為關(guān)聯(lián)群體，結(jié)合全基因組重測(cè)序獲得980萬(wàn)個(gè)SNP基因型，對(duì)甜玉米籽粒體積和粒重進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，挖掘控制甜玉米籽粒體積和粒重的相關(guān)基因，以期為甜玉米高產(chǎn)育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及田間試驗(yàn)

供試甜玉米材料共包含209份甜玉米自交系，其中，國(guó)內(nèi)來(lái)源158份，國(guó)外來(lái)源51份(表1)，由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供。所有材料在廣州市天河區(qū)連續(xù)種植3年(2017、2018和2019年)，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)材料種1 行，每行11株，行距0.5 m，株距0.25 m，按照當(dāng)?shù)卦耘喾椒ㄟM(jìn)行田間管理。

表1 本研究所使用的甜玉米自交系材料
Table 1 Sweet corn inbreds used in this study

編號(hào)ID名稱Name地理來(lái)源Original region編號(hào)ID名稱Name地理來(lái)源Original regionC11022中國(guó)C41新美中國(guó)C21132中國(guó)C42國(guó)區(qū)中國(guó)C3C5-1中國(guó)C44超甜201中國(guó)C4日超1日本C48航1132中國(guó)C5C4中國(guó)C49航日超日本C6794中國(guó)C50改良794中國(guó)C7日超2日本C51群2-7中國(guó)C9夏威夷美國(guó)C52群2白-3中國(guó)C10鮮美選系中國(guó)C53群2白-4中國(guó)C11華珍1中國(guó)C5408秋群1耐寒后代-2中國(guó)C12華珍3中國(guó)C5508秋群1耐寒后代-3中國(guó)C13265OR1美國(guó)C5608秋群1耐寒后代-4中國(guó)C15世珍中國(guó)C5708秋群1耐寒后代-5中國(guó)C16中農(nóng)419中國(guó)C58王朝開放美國(guó)C17Z5阿根廷C59超引黃中國(guó)C18N16中國(guó)C60奧甜8706美國(guó)C20MH70美國(guó)C61金煌1號(hào)泰國(guó)C21庫(kù)普拉選系美國(guó)C62國(guó)區(qū)T12-1中國(guó)C22金珠蜜美國(guó)C63國(guó)區(qū)T12-2中國(guó)C23金珠蜜白美國(guó)C64GLAY10黃-2美國(guó)C24曾061487泰國(guó)C65曾引me153-1泰國(guó)C25南引3中國(guó)C66曾引me153-2泰國(guó)C26群1穗選1中國(guó)C67QX331開放選黃中國(guó)C27群1穗選2中國(guó)C68QX331開放選白中國(guó)C28群1穗選3中國(guó)C69熱群-3中國(guó)C30農(nóng)甜88白中國(guó)C70群2-8中國(guó)C31農(nóng)甜88黃中國(guó)C71群2-9中國(guó)C32225美國(guó)C72群2-10中國(guó)C33群1穗選4中國(guó)C73群2-11中國(guó)C35熱群穗選中國(guó)C7408秋群1耐寒后代-6中國(guó)C36群1穗選6中國(guó)C75MH70×誘選甜中國(guó)C37SSC016美國(guó)C76群2甜誘選甜白中國(guó)C38奧甜美國(guó)C77李美引M6美國(guó)C39田雜中國(guó)C78開放華珍-1中國(guó)C40穗甜202中國(guó)C79開放華珍-2中國(guó)

表1(續(xù))

編號(hào)ID名稱Name地理來(lái)源Original region編號(hào)ID名稱Name地理來(lái)源Original regionC8108秋泰引親本泰國(guó)C118群2-1中國(guó)C8208秋泰引開放泰國(guó)C119群2-2中國(guó)C8308秋泰引組合-2泰國(guó)C120群2-3中國(guó)C8408秋泰引組合-3泰國(guó)C12108秋耐寒后代中國(guó)C8508秋泰引組合-4泰國(guó)C12208秋耐寒后代白-1中國(guó)C86HSC0803美國(guó)C12312春高引白-1中國(guó)C87HSC0803白美國(guó)C12412春高引-2白中國(guó)C88金銀08白美國(guó)C12512春高引-3白中國(guó)C89田蜜6號(hào)中國(guó)C12612春高引-4白中國(guó)C90黃金15-2美國(guó)C12712春高引-5白中國(guó)C91泰引超甜-2泰國(guó)C12812春高引-6-1中國(guó)C92泰引白泰國(guó)C12912春高引-6-2中國(guó)C93泰引6高泰國(guó)C131GLAY10黃-1美國(guó)C94HIBRIX51大粒泰國(guó)C132群1-3中國(guó)C96湖北引-5白-1中國(guó)C133群2-4中國(guó)C97湖北引-5白-2中國(guó)C134群2-5中國(guó)C98湖北引-10中國(guó)C135群2-6中國(guó)C9909引-21中國(guó)C13709秋國(guó)區(qū)T9中國(guó)C10010春國(guó)區(qū)T9中國(guó)C138群1甜誘白中國(guó)C10110春國(guó)區(qū)T9白中國(guó)C139MH70×誘中國(guó)C102華珍母本中國(guó)C140群2甜誘-1中國(guó)C10309國(guó)區(qū)T4中國(guó)C141群2甜誘白中國(guó)C104群1-1中國(guó)C142群1甜誘 中國(guó)C105群2白-1中國(guó)C143群2甜誘 混中國(guó)C106群2白-2中國(guó)C144群2甜誘 單穗中國(guó)C107德甜36白中國(guó)C145群2甜誘-2中國(guó)C108S103中國(guó)C146MH80開放美國(guó)C109大28-2中國(guó)C14708秋泰引組合-1泰國(guó)C11012春高引9-1中國(guó)C148黃金15-1美國(guó)C11112春高引9-2中國(guó)C149泰引超甜-4泰國(guó)C112豐蜜中國(guó)C15009引-2-1中國(guó)C113群1-2中國(guó)C15109引-2-2中國(guó)C114熱群-1中國(guó)C15209引-11中國(guó)C115熱群-2中國(guó)C15510秋柯引彩-4中國(guó)C116群1-1-1中國(guó)C15710秋柯引彩-7白中國(guó)C117群1-1-2中國(guó)C158庫(kù)普拉×誘美國(guó)

表1(續(xù))

編號(hào)ID名稱Name地理來(lái)源Original region編號(hào)ID名稱Name地理來(lái)源Original regionC15911春GT3-1中國(guó)C202華寶8號(hào)中國(guó)C16011春GT3-2中國(guó)C203泰豐母泰國(guó)C16111春GT8-1中國(guó)C204泰豐父泰國(guó)C16211春GT8-2中國(guó)C2525#-7中國(guó)C16311春GT11中國(guó)C253A453海-4-2中國(guó)C164群1-1-3中國(guó)C256A003海中國(guó)C16508秋耐寒后代白-2中國(guó)C25704冬Z15-1中國(guó)C166SB903美國(guó)C25804冬Z19中國(guó)C167921似親本泰國(guó)C25904冬Z52-1中國(guó)C169群1-4中國(guó)C260HN-6中國(guó)C171華美甜似親本白-1中國(guó)C261xsj2號(hào)中國(guó)C172華美甜似親本白-2中國(guó)C264A126-1中國(guó)C173美國(guó)225美國(guó)C272ZHU2中國(guó)C175山西引超甜中國(guó)C274JFM中國(guó)C17612春高引-7中國(guó)C27507SHXJF中國(guó)C17712春高引-10中國(guó)C27610QXJFM中國(guó)C17812春高引-10白-1中國(guó)C277XJLN中國(guó)C17912春高引-10白-2中國(guó)C281737中國(guó)C18012春高引-13中國(guó)C2825#中國(guó)C18112春高引-17中國(guó)C2841167-廣西TF中國(guó)C182奧費(fèi)蘭選系美國(guó)C285AB1000 白粒超甜中國(guó)C183SC1388泰國(guó)C28936-1 白粒超甜中國(guó)C18608秋群1耐寒后代-1中國(guó)C292A02中國(guó)C18708秋群1耐寒后代×誘選甜中國(guó)C294A04中國(guó)C189群2 葉披,多中國(guó)C307A17中國(guó)C193農(nóng)寶白中國(guó)C308A18中國(guó)C194麥哥娜姆選系美國(guó)C311A21 白粒超甜中國(guó)C195華威2045泰引開放系中國(guó)C315A25中國(guó)C196新美208中國(guó)C317A27中國(guó)C197SC858泰國(guó)C318A28 白粒超甜中國(guó)C198Yes37泰國(guó)C320A30中國(guó)C199改良泰引組合6白泰國(guó)C323A33中國(guó)C200仲鮮甜3號(hào)中國(guó)C329A39 白粒超甜中國(guó)C201群1白中國(guó)

1.2 表型調(diào)查及統(tǒng)計(jì)分析

所有材料自交授粉，收獲后自然晾干至含水量13%以下，每個(gè)材料選取5個(gè)均勻一致的果穗混合脫粒，取其中300粒裝袋，再?gòu)闹须S機(jī)選取30粒干籽粒進(jìn)行后續(xù)表型鑒定。將籽粒去麩后，使用分析天平稱量30粒籽粒重量(

w

)，計(jì)算得單粒重(

w

/30)，g；采用排酒精法對(duì)籽粒體積進(jìn)行測(cè)量，取30粒干籽粒倒入裝有酒精的滴定管中，讀取加入籽粒前后液面刻度變化的差值，即為30粒籽粒體積(

V

)，計(jì)算得單粒體積(

V

/30), mL。利用R軟件對(duì)3年表型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性分析，并計(jì)算廣義遺傳力和最佳線性無(wú)偏預(yù)測(cè)值(best linear unbiased prediction, BLUP)。

廣義遺傳力計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中：代表遺傳變異，代表誤差，

e

代表環(huán)境個(gè)數(shù)。

BLUP計(jì)算公式為：

y

=

μ

+

g

+

e

+

ε

(2)

式(2)中：

y

代表第

i

個(gè)家系的表型值，

μ

代表所有環(huán)境下的均值，

g

代表遺傳效應(yīng)，

e

代表環(huán)境效應(yīng)，

ε

代表隨機(jī)誤差。

1.3 基因型分析

取每個(gè)自交系3～5棵植株的幼嫩葉片，采用改良的CTAB方法提取DNA，利用illumina HiSeq 2500平臺(tái)對(duì)209份材料進(jìn)行深度約11.5×的全基因組重測(cè)序，用BWA軟件將測(cè)序序列比對(duì)到玉米‘B73’參考基因組(AGPv4)，而后用SAMTOOLS軟件對(duì)SNP進(jìn)行分析，最后用GATK軟件對(duì)SNP進(jìn)行提取，保留缺失率≤20%以及最小等位基因頻率≥5%的SNP，最終獲得980萬(wàn)個(gè)覆蓋全基因組的高質(zhì)量的SNP(數(shù)據(jù)未發(fā)表)用于后續(xù)分析。

1.4 全基因組關(guān)聯(lián)分析及候選基因提名

將基因型和表型導(dǎo)入TASSEL5.0中，采用一般線性模型(General Linear Model, GLM)進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析。由于非獨(dú)立的SNP之間有較強(qiáng)的LD距離，為了進(jìn)一步更準(zhǔn)確的確定閾值，利用PLINK軟件(window size 50， step size 50，

R

≥0.2)計(jì)算得到767 964個(gè)獨(dú)立標(biāo)記數(shù)，因此，將關(guān)聯(lián)分析的顯著性閾值設(shè)為

P

<1×10(1/767 964)。根據(jù)之前對(duì)甜玉米自交系LD的計(jì)算，甜玉米的衰減距離為500 kb，因此，當(dāng)500 kb區(qū)間內(nèi)存在多個(gè)顯著SNP時(shí)，合并到1個(gè)最顯著的SNP，查找其上下游500 kb內(nèi)的基因，根據(jù)基因注釋并結(jié)合基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)，找尋與其他植物籽粒體積或粒重有關(guān)基因?yàn)楹蜻x基因，如無(wú)相關(guān)基因，提名離顯著位點(diǎn)最近且檢測(cè)到表達(dá)量有差異的基因?yàn)楹蜻x基因。針對(duì)每個(gè)表型，所有顯著位點(diǎn)解釋的表型變異用R軟件中的

lm

進(jìn)行線性回歸分析計(jì)算而得。

1.5 候選基因表達(dá)量與表型的相關(guān)分析

所有材料自交授粉，采摘授粉后15 d(15 DAP)的果穗，分別選取每個(gè)自交系的3～4穗，每穗取1～2粒籽粒，混合提取籽粒RNA構(gòu)建總RNA文庫(kù)，利用Illumina Hiseq 2500平臺(tái)對(duì)文庫(kù)進(jìn)行150 bp的雙端轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，每個(gè)樣品獲得了大約24.76 M高質(zhì)量的Reads，利用R軟件對(duì)每個(gè)樣品中所有基因的FPKM進(jìn)行計(jì)算，最終獲得了27 133個(gè)基因在不同自交系中的表達(dá)譜，利用R軟件對(duì)候選基因在不同自交系中的表達(dá)量和其對(duì)應(yīng)的表型進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜玉米籽粒體積和粒重表型分析

由圖1可知，籽粒體積變異范圍為0.06～0.15 mL，變異倍數(shù)為2.5倍，單粒重變異范圍為0.08～0.17 g，變異倍數(shù)為2.1倍(表2)，表明這2個(gè)性狀在群體中都具有廣泛的表型變異，并且這2個(gè)性狀在群體中都呈正態(tài)分布(圖1)。此外，籽粒體積和粒重呈顯著正相關(guān)(

r

=0.92)(圖1)。利用3年的表型進(jìn)行遺傳力分析，籽粒體積和粒重的遺傳力分別為0.70和0.79(表2)，表明2個(gè)性狀的表型變異主要受遺傳因素控制，受環(huán)境因素影響較小。

(a)籽粒粒重表型分布；(b)籽粒體積表型分布；(c)粒重和體積的相關(guān)性分析(a) Distribution of kernel weight; (b) Distribution of kernel volume; (c) The correlation coefficients between kernel weight and kernel volume圖1 甜玉米群體籽粒體積和粒重的表型分析Fig.1 Phenotypic analysis of kernel volume and kernel weight in the sweet corn panel

表2 甜玉米籽粒體積和粒重的表型分析和遺傳力分析
Table 2 Phenotypic variation and heritability of two traits in sweet corn kernels

性狀Trait自交系個(gè)數(shù)No. of lines最小值Min最大值Max平均值±標(biāo)準(zhǔn)差Mean±SD廣義遺傳力H2籽粒體積/mLKV2090.060.150.10±0.010.70單粒重/gKW2090.080.170.12±0.020.79

2.2 籽粒體積和粒重全基因組關(guān)聯(lián)分析

由表3可知，利用GLM模型，當(dāng)閾值為

P

<1×10時(shí)，共檢測(cè)到15個(gè)顯著SNP位點(diǎn)，其中，籽粒體積檢測(cè)到9個(gè)位點(diǎn)，單個(gè)位點(diǎn)解釋的表型變異范圍為10.6%～13.6%，總共解釋55.7%的籽粒體積表型變異；籽粒粒重檢測(cè)到10個(gè)位點(diǎn)，單個(gè)位點(diǎn)解釋的表型變異范圍為9.3%～12.6%，總共解釋52.1%的粒重表型變異。由表4可知，在這15個(gè)位點(diǎn)中，有4個(gè)位點(diǎn)和2個(gè)性狀均顯著關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)“一因多效” 性(圖2)，這與籽粒體積和粒重呈顯著正相關(guān)的結(jié)果是一致的(圖1)。

(a)籽粒體積的曼哈頓圖；(b)籽粒體積的Q-Q圖；(c)單粒重的曼哈頓圖；(d)單粒重的Q-Q圖(a) Manhattan plot of kernel volume; (b) Quantile-quantile plot of kernel volume; (c) Manhattan plot of single kernel weight; (d) Quantile-quantile plot of single kernel weight水平虛線代表閾值(1×10-6)。The dashed horizontal line depicts the Bonferroni significance threshold (1×10-6).圖2 甜玉米籽粒體積和粒重全基因組關(guān)聯(lián)分析Fig.2 Genome-wide association study of kernel volume and kernel weight in sweet corn

表3 甜玉米籽粒性狀顯著位點(diǎn)
Table 3 Summary of significant SNPs identified for kernel traits in sweet corn

性狀Trait顯著位點(diǎn)數(shù)目Significant SNPs單個(gè)位點(diǎn)解釋表型變異/%Variation explained by each SNP所有位點(diǎn)解釋表型變異/%Variation explained by all SNPs籽粒體積/mLKV910.6～13.655.7單粒重/gKW109.3～12.652.1

2.3 與普通玉米研究位點(diǎn)比較

由表4可知，3個(gè)與籽粒體積關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)均位于普通玉米籽粒大小相關(guān)性狀的QTL區(qū)間內(nèi)。其中，S1_204753078位點(diǎn)與籽粒體積和粒重均顯著關(guān)聯(lián)， S1_288353444與籽粒體積顯著關(guān)聯(lián)，這2個(gè)位點(diǎn)均落在控制粒寬的QTL區(qū)間內(nèi)，S9_24601539與籽粒體積顯著關(guān)聯(lián)，該位點(diǎn)落在粒長(zhǎng)的QTL區(qū)間內(nèi)；此外，S1_291060760與粒重顯著關(guān)聯(lián)，該位點(diǎn)落在普通玉米千粒重的QTL區(qū)間內(nèi)。綜上，通過(guò)檢測(cè)的位點(diǎn)和普通玉米籽粒有關(guān)性狀位點(diǎn)進(jìn)行比較分析，說(shuō)明利用全基因組關(guān)聯(lián)分析方法挖掘與甜玉米籽粒性狀顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)方法可靠。

2.4 候選基因預(yù)測(cè)和功能分析

基于玉米參考基因組數(shù)據(jù)，對(duì)顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)上下游500 kb范圍內(nèi)的基因進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，結(jié)合甜玉米籽粒15 DAP的表達(dá)譜數(shù)據(jù)，最后挖掘到15個(gè)候選基因。大部分候選基因都是轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)控基因，見表4，比如控制籽粒體積的Zm00001 d034277和Zm00001 d011730分別為NAC轉(zhuǎn)錄因子和乙醇脫氫酶轉(zhuǎn)錄因子，控制粒重的Zm00001 d030577是bZIP轉(zhuǎn)錄因子，此外，控制籽粒體積和粒重的Zm00001 d034369和Zm00001 d011639分別是環(huán)指蛋白和脫落酸不敏感轉(zhuǎn)錄因子。

1號(hào)染色體上的位點(diǎn)S1_204753078與籽粒體積、粒重均顯著關(guān)聯(lián)，該位點(diǎn)位于基因

Br2

(Zm00001 d031871)第3個(gè)內(nèi)含子上，

Br2

基因編碼生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。通過(guò)對(duì)該顯著位點(diǎn)進(jìn)行單倍型分析發(fā)現(xiàn)，基因型CC與基因型TT的植株相比，株高有一定程度的增加，穗位高、籽粒體積和粒重均有顯著增加，因此，

Br2

和甜玉米籽粒體積、粒重均顯著關(guān)聯(lián)，并且，大部分自交系都包含有利等位基因CC(n=129)，見圖3。由圖4可知，不同玉米材料授粉15 d 后

Br2

表達(dá)量與籽粒體積和粒重均呈顯著正相關(guān)(

r

=0.37，

P

=1.18×10和

r

=0.36，

P

=1.28×10)，說(shuō)明該基因是通過(guò)調(diào)控基因的表達(dá)量從而引起表型發(fā)生變化的，亦即隨著該基因表達(dá)量的增加，籽粒體積和粒重均隨之增加。

圖3 Br2上顯著位點(diǎn)與不同農(nóng)藝性狀的方差分析Fig.3 ANOVA based on the most significant associated SNP of Br2 with agronomic traits

圖4 Br2基因表達(dá)量與籽粒體積(a)和單粒重(b)的相關(guān)性分析Fig.4 Correlation of expression level of Br2 with kernel volume (a) and kernel weight(b)

3 討 論

3.1 甜玉米籽粒體積和粒重的全基因組關(guān)聯(lián)分析

盡管甜玉米育種更多關(guān)注的是其風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，然而提高產(chǎn)量也是甜玉米育種研究的重要目標(biāo)之一，籽粒體積和粒重是與甜玉米產(chǎn)量相關(guān)的最重要的農(nóng)藝性狀。本研究對(duì)該關(guān)聯(lián)群體進(jìn)行采收期甜玉米籽粒含水量的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)籽粒的含水量平均為75%，變異范圍為61%～85%，籽粒干粒重和鮮重相關(guān)性極顯著(

r

=0.89，

P

=2.2×10)，因此，甜玉米籽粒干重的增加，意味著籽粒鮮重也增加，有助于提高甜玉米的產(chǎn)量。

GWAS是解析復(fù)雜性狀的遺傳結(jié)構(gòu)以及挖掘關(guān)鍵基因的重要手段，本研究連續(xù)3年對(duì)209份甜玉米自交系的干籽粒體積和粒重進(jìn)行了測(cè)定，共檢測(cè)到了15個(gè)顯著位點(diǎn)，但單個(gè)位點(diǎn)的遺傳效應(yīng)均不高(9.3%～13.6%)，表明這2個(gè)性狀主要受微效多基因控制，符合產(chǎn)量是復(fù)雜數(shù)量性狀的特點(diǎn)。通過(guò)與徐運(yùn)林等報(bào)道的甜玉米百粒重的關(guān)聯(lián)SNP進(jìn)行比較，并未發(fā)現(xiàn)有共同檢測(cè)到的位點(diǎn)，這可能因?yàn)樗褂玫牟牧喜煌舱f(shuō)明了粒重性狀的復(fù)雜性。

3.2 甜玉米籽粒體積和粒重的候選基因挖掘

本研究中檢測(cè)到

Br2

基因與籽粒體積、粒重均顯著關(guān)聯(lián)，該基因編碼的是一個(gè)生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸?shù)鞍譖GP；生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和信號(hào)因子通過(guò)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起著重要作用，玉米

de

18

突變體中生長(zhǎng)素合成受到影響，從而抑制了細(xì)胞的分裂，最終使種子粒重降低。在普通玉米中，

Br2

基因突變體主要通過(guò)減少植株縱向細(xì)胞分裂，導(dǎo)致植株變矮，穗位變低，并且不影響產(chǎn)量，此外，Li等發(fā)現(xiàn)在普通玉米自然變異群體中，

Br2

與籽粒長(zhǎng)度顯著關(guān)聯(lián)。在甜玉米中，檢測(cè)到與籽粒體積、粒重最顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)位于基因

Br2

內(nèi)含子上，這與Li等的研究結(jié)果類似，該位點(diǎn)可能并不是影響籽粒體積和粒重的功能位點(diǎn)，而是與功能位點(diǎn)存在連鎖不平衡(LD)而被檢測(cè)到的。

Br2

的表達(dá)量和籽粒體積以及粒重均顯著相關(guān)(

r

=0.37和

r

=0.36)，這與該位點(diǎn)解釋的表型變異(13.6%和10.6%)的結(jié)果相符，說(shuō)明該位點(diǎn)并不是主效位點(diǎn)，對(duì)籽粒體積和粒重的變異只起到微效作用，推測(cè)功能位點(diǎn)可能存在于影響基因表達(dá)水平的調(diào)控區(qū)(5’UTR或3’UTR)，通過(guò)調(diào)控基因的表達(dá)水平，引起粒長(zhǎng)的變化，最終導(dǎo)致籽粒體積和粒重都增加，因此，還需要通過(guò)候選基因重測(cè)序以及基因驗(yàn)證等手段進(jìn)一步來(lái)驗(yàn)證。此外，在甜玉米中，該基因在調(diào)控籽粒產(chǎn)量(單粒重和籽粒體積)的同時(shí)，也調(diào)控穗位高，而對(duì)株高的影響相對(duì)較小(圖3)，因此，通過(guò)合理選育，有望選育出籽粒體積和粒重均增加，而株高和穗位高相對(duì)合理的優(yōu)良品種。本研究在9號(hào)染色體上發(fā)現(xiàn)1個(gè)與籽粒體積關(guān)聯(lián)的候選基因Zm00001 d045499，該基因位于Liu等報(bào)道的控制籽粒粒長(zhǎng)的QTL區(qū)間內(nèi)，編碼1個(gè)E3泛素蛋白連接酶，水稻中克隆的控制粒寬和粒重的

GW2

基因也是1個(gè)E3泛素蛋白連接酶，GW2蛋白缺失后，穎殼內(nèi)細(xì)胞數(shù)量增加，從而導(dǎo)致籽粒變寬、變重。此外，在擬南芥中，

DA2

編碼1個(gè)E3泛素蛋白連接酶，功能缺失突變體的種子體積由于細(xì)胞分化未被抑制而顯著增加。Zm00001 d045499在甜玉米中調(diào)控籽粒體積變化的作用機(jī)制還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，本群體(209份甜玉米自交系)包含廣泛的遺傳變異，結(jié)合覆蓋全基因組高密度的980萬(wàn)個(gè)SNP標(biāo)記，利用GLM模型通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析方法來(lái)挖掘控制甜玉米產(chǎn)量性狀的關(guān)聯(lián)位點(diǎn)，共檢測(cè)到15個(gè)顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)，大部分候選基因是轉(zhuǎn)錄因子；其中，

Br2

與籽粒體積、粒重均顯著關(guān)聯(lián)，該基因主要通過(guò)提高表達(dá)量來(lái)增加甜玉米籽粒體積和粒重。