玉米出籽率相關(guān)性狀的QTL初定位分析

章 爽,張秀英,劉斌斌,董 遠(yuǎn),李 婷,李 勤,薛吉全,徐淑兔,張興華

(1.西北旱區(qū)玉米生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.陜西省漢中農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,陜西 漢中 723000)

玉米是全球第一大糧食作物,提高玉米單產(chǎn)和總產(chǎn)不僅為中國糧食安全打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),也為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)[1]。玉米出籽率、單穗質(zhì)量、穗軸質(zhì)量等性狀與產(chǎn)量有較強(qiáng)的相關(guān)性,作為典型的數(shù)量性狀,會因環(huán)境效應(yīng)產(chǎn)生變化,且多個微效基因會對其產(chǎn)生影響[2]。穗部性狀如出籽率、單穗質(zhì)量、穗軸質(zhì)量等是玉米產(chǎn)量的主要構(gòu)成因素,在玉米高產(chǎn)育種中占有重要地位。有研究表明單穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量和百粒質(zhì)量與產(chǎn)量之間極顯著正相關(guān),其中單穗質(zhì)量對產(chǎn)量的直接效應(yīng)最大,在玉米產(chǎn)量形成中占主導(dǎo)地位[3]。前人研究證實(shí)出籽率與單穗產(chǎn)量緊密聯(lián)系[4-7],趙延明等[8]認(rèn)為玉米出籽率對單株籽粒產(chǎn)量影響大,因此玉米遺傳改良要重點(diǎn)選擇出籽率。綜上,研究玉米穗部相關(guān)性狀的遺傳分子機(jī)制對玉米高產(chǎn)育種具有重要意義。

近年來,隨著技術(shù)的發(fā)展,利用分子標(biāo)記技術(shù)結(jié)合數(shù)量性狀統(tǒng)計(jì)模型發(fā)展而來的QTL 定位方法已經(jīng)成為解析數(shù)量性狀分子機(jī)制的重要手段,且該方法研究挖掘的主效QTL 為后續(xù)相關(guān)數(shù)量性狀分子標(biāo)記輔助育種提供參考,在遺傳育種改良實(shí)踐中發(fā)揮重要作用。現(xiàn)有與玉米產(chǎn)量密切相關(guān)的穗部性狀QTL 定位主要集中在穗長、結(jié)實(shí)長、穗行數(shù)、穗粒數(shù)、穗粗和軸粗等方面[9-13]。作為玉米產(chǎn)量主要構(gòu)成因子單穗質(zhì)量和穗粒質(zhì)量,以及玉米高產(chǎn)組合必須具備的高出籽率[14],這些性狀的QTL定位相對較少。因此在更為豐富的遺傳背景下,挖掘更多的控制玉米穗部性狀的QTL位點(diǎn),有利于解析穗部性狀的遺傳機(jī)制,并為分子遺傳育種提供更多的優(yōu)異基因資源。

本研究以KA105 和KB020 為親本構(gòu)建的201份重組自交系(RILs)群體為材料,在榆林和漢中兩環(huán)境中對玉米出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量3個穗部性狀分別進(jìn)行QTL 定位。研究旨在發(fā)現(xiàn)不同環(huán)境中可以穩(wěn)定遺傳的QTL,為解析玉米出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量的遺傳基礎(chǔ)和后續(xù)分子標(biāo)記輔助選擇育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以陜A、B 群優(yōu)良自交系KA105 和KB020為基礎(chǔ)材料,構(gòu)建含201 個家系的重組自交系(RILs)群體。將親本、RILs群體于2019年分別種植于榆林(Yulin,YL)和漢中(Hanzhong,HZ)兩地。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),單行區(qū),設(shè)置2次重復(fù),行長5 m,行距0.6 m,株距22.2 cm。田間管理分別與榆林、漢中一致。

1.2 出籽率等性狀測定及數(shù)據(jù)分析

待玉米成熟后,收獲田間所有果穗進(jìn)行風(fēng)干,在每個家系中挑選大小均勻一致的5個果穗進(jìn)行性狀測定。參照石云素[15]制定的標(biāo)準(zhǔn),測定親本(KA105和KB020)及F5:6 代群體的單穗質(zhì)量(EW)和單穗粒質(zhì)量(KWE),并進(jìn)一步計(jì)算出籽率:

出籽率=單穗粒質(zhì)量/單穗質(zhì)量×100%

采用SPSS25.0對F5:6代RILs群體以及親本的出籽率、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和方差分析。廣義遺傳力的計(jì)算公式為:

1.3 QTL分析

試驗(yàn)中所用群體及其分子標(biāo)記連鎖圖譜構(gòu)建參考Yang等[17],將RILs群體中與親本KA105基因型一致的記為2,與親本KB020基因型一致的記為0,若QTL 分析中加性效應(yīng)為正,說明該QTL增效等位基因來自于KA105,反之則來自于KB020。利用QTL ICIMapping V4.2軟件的完備區(qū)間作圖法(ICIM),分別對各環(huán)境的出籽率、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量及其BLUP 值進(jìn)行QTL 分析。PIN 設(shè)置為0.001,步長為1 c M,LOD 閾值以模擬運(yùn)算1000次的方法來確定,當(dāng)某個位置檢測到的LOD 值大于閾值時,即認(rèn)為該位置存在一個控制該性狀的QTL。QTL 命名參考Mccoch等[18]的方法按照QTL、性狀、染色體、QTL個數(shù)依次命名。其中QTL以q開始,出籽率、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量分別以英文縮寫KR、EW、KWE 表示。如果某個性狀同一條染色體有多個不同的QTL,則以“-1”“-2”和“-3”加在染色體后以示區(qū)分,其余以此類推。

2 結(jié)果與分析

2.1 出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量基本統(tǒng)計(jì)分析

由雙親及RILs群體的穗部性狀分析可以看出(表1),F5:6群體的出籽率、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量在榆林和漢中兩點(diǎn)均表現(xiàn)出超親分離,其中母本KA105在出籽率、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量上屬于低值親本,父本KB020屬于高值親本。群體中單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量的變異系數(shù)在2個環(huán)境均超過了25.00%,說明不同家系在2個環(huán)境中均有豐富的表型變異。相對而言,出籽率的的表型變異相對較窄,變異系數(shù)小于4.00%。同時,3個性狀在2個環(huán)境中均表現(xiàn)出一定的超親現(xiàn)象,即最小值低于低值親本,最大值高于高值親本,說明雙親中含有不同的與目標(biāo)性狀相關(guān)的有利等位基因數(shù)量。同時根據(jù)榆林和漢中兩個環(huán)境下出籽率、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量表型值的偏度和峰度絕對值均小于1,符合正態(tài)分布(圖1),屬于數(shù)量遺傳性狀,可進(jìn)行QTL定位。

圖1 玉米RILs群體及親本的出籽率、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量正態(tài)分布Fig.1 Normal distribution plots of KR,EW and KWE of RILs population

表1 玉米RILs群體及其親本的出籽率相關(guān)性狀基本統(tǒng)計(jì)描述Table 1 Basic description of KR,EW and KWE of RILs population and its parents

2.2 遺傳率計(jì)算與相關(guān)分析

方差分析結(jié)果(表2)顯示,出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量3個性狀在不同家系間均表現(xiàn)為極顯著差異(P＜0.01),單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量在榆林、漢中兩環(huán)境中的差異也達(dá)到極顯著,表明單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量同時受環(huán)境、基因型影響。相對而言,出籽率受環(huán)境影響小,基因型與環(huán)境對表型的影響也不顯著,即表明該性狀受基因型影響較大。通過遺傳力計(jì)算,出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量的廣義遺傳力分別為82.82%、81.71%和81.15%。相關(guān)性分析表明(表3),同一環(huán)境下出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量三者之間均達(dá)到極顯著正相關(guān),不同環(huán)境下同一性狀均表現(xiàn)極顯著正相關(guān),不同環(huán)境下不同性狀表現(xiàn)的相關(guān)性差異較大,榆林出籽率與漢中單穗質(zhì)量、漢中單穗粒質(zhì)量,漢中出籽率與榆林單穗質(zhì)量、榆林單穗粒質(zhì)量相關(guān)系數(shù)較低,小于0.3,其他各性狀之間均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。

表2 玉米出籽率、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量的方差分析Table 2 Variance analysis of KR,EW and KWE in maize RILs population

2.3 QTL定位分析

通過完備區(qū)間作圖法,以2個環(huán)境下出籽率、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量的表型值以及各個性狀的BLUP值進(jìn)行QTL 分析,共檢測到10個QTL,分別位于1號、2號、5號、6號、9號和10號染色體上,單個QTL可解釋5.92%～13.50%的表型變異(表4)。其中,1 號染色體的189.50～193.55 Mb和6號染色體的112.25～120.46 Mb區(qū)間在出籽率(q KR1,q KR6)、單穗質(zhì)量(qEW1,qEW6)和單穗粒質(zhì)量(q KWE1,q KWE6)中均被檢測到。其中qEW1在漢中、榆林和BLUP 中都檢測到,而位于6 號染色體的qEW6和q KWE6都 能 在 榆 林 和BLUP 中 檢 測到,其增效等位基因均來自于父本KB020。10個QTL中共有7個QTL 的加性效應(yīng)為負(fù)值,增效等位基因來自父本KB020,其他均來自于母本KA105。

表4 RILs群體出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量的QTL定位Table 4 Analysis of QTLs for KR,EW and KWE in RILs population of maize

2.3.1 出籽率QTL 定位 通過完備區(qū)間作圖法,利用榆林、漢中兩環(huán)境的出籽率性狀及其BLUP值共檢測到5個與出籽率有關(guān)的QTL,分布在1號、2號、5號、6號和9號染色體上,可解釋表型變異率為5.92%～13.49%。位于2號染色體的q KR2和位于6 號染色體的q KR6可解釋的表型變異率分別為10.40%和13.49%,可能是控制出籽率的主效QTL。除q KR2和q KR9加性效應(yīng)為正值,增效等位基因來自于母本KA105外,其他3個QTL 增效等位基因均來自于父本KB020。

2.3.2 單穗質(zhì)量QTL 定位 利用榆林、漢中兩環(huán)境的單穗質(zhì)量性狀及其BLUP 值共檢測到2個單穗質(zhì)量QTL,分布在1號和6號染色體上,解釋的表型變異率為7.85%～11.88%。其中,1號染色體上的qEW1在榆林、漢中和BLUP環(huán)境中均能檢測到。6號染色體上的qEW6能在榆林和BLUP兩個環(huán)境中檢測到。他們的加性效應(yīng)為負(fù)值,增效等位基因均來自于父本KB020。2.3.3 單穗粒質(zhì)量QTL 定位 利用榆林、漢中兩環(huán)境的單穗粒質(zhì)量性狀及其BLUP 值共檢測到3個與單穗粒質(zhì)量相關(guān)的QTL,分別位于1號、6號、10號染色體上,可解釋的表型變異率為7.56%～13.50%。在榆林和BLUP條件下共定位到q KWE6,可解釋的表型變異率分別為12.40%和13.50%,其加性效應(yīng)為負(fù)值,增效等位基因來自父本KB020。

3 討論

本研究以自主選育的KA105和KB020構(gòu)建的重組自交系群體為材料,針對產(chǎn)量重要構(gòu)成因子出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量為目標(biāo)性狀,進(jìn)行群體表型變異和QTL定位分析。結(jié)果顯示,該群體出籽率在兩個環(huán)境下的平均變異系數(shù)(2.25%)均小于單穗質(zhì)量(17.40%)和單穗粒質(zhì)量(18.35%),究其原因,出籽率是本課題組自交系選育的重要指標(biāo)[19],雙親在出籽率性狀上差異不大,因此雙親構(gòu)建的群體變異幅度也較小。但本研究仍能檢測到表型貢獻(xiàn)率較大的出籽率QTL(q KR2和q KR6),且效應(yīng)分別來自KA105和KB020,說明按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自交系選育過程,雙親可以通過富集不同的有利等位基因表現(xiàn)出類似的優(yōu)勢表型。

本研究共檢測到出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量相關(guān)QTL10個,不均勻的分布在1、2、5、6、9和10號染色體上;其中1號和6號染色體上檢測到較多的QTL,都有3個,其他染色體上均只檢測到1 個QTL。在1 號染色體上分布的3 個QTL 分別控制出籽率(q KR1)、單穗質(zhì)量(qEW1)、單穗粒質(zhì)量(q KWE1),且這3個QTL在同一區(qū)間,可認(rèn)為該QTL 同時調(diào)控3 個不同性狀;6號染色體上的3個QTL也是在同一個區(qū)間內(nèi),它們分別控制出籽率(q KR6)、單穗質(zhì)量(qEW6)、單穗粒質(zhì)量(q KWE6)3 個性狀,也是一個一因多效的QTL。蘭進(jìn)好等[20]認(rèn)為,QTL成簇分布或毗鄰分布遺傳基礎(chǔ)可能是基因的一因多效或是不同基因的緊密連鎖。本研究發(fā)現(xiàn)1號和6號染色體上都檢測到一個多效位點(diǎn),同時調(diào)控出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量。代國麗等[21]認(rèn)為QTL區(qū)域的連鎖表現(xiàn)在性狀上必然是一定程度的相關(guān),而出籽率是單穗粒質(zhì)量與單穗質(zhì)量的比值,單穗粒質(zhì)量是單穗質(zhì)量與單穗軸質(zhì)量的差值,本研究相關(guān)性分析表明出籽率、單穗質(zhì)量與單穗粒質(zhì)量兩兩之間極顯著正相關(guān),因此出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量能檢測到較多共定位到QTL。

Zhuang等[22]認(rèn)為基因與環(huán)境互作很大程度上影響數(shù)量性狀,因此相同的作圖群體在不同環(huán)境中檢測到的QTL 會有不一致,甚至有較大差異。從本研究的定位結(jié)果也可以看出,有且僅有qEW1能在2個單獨(dú)的環(huán)境和BLUP值中能被檢測到,是穩(wěn)定QTL,可開展進(jìn)一步研究。同時,位于6號染色體的qEW6和q KWE6能同時在榆林和BLUP中定位到,其余QTL 均為單環(huán)境下能檢測到QTL。通過與前人報(bào)道的QTL定位結(jié)果進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn),出籽率QTLq KR1和q KR9與常立國等[23]定位到的q KR1-2和q KR9-2分別位于同一bin 上,q KR6與趙小強(qiáng)等[24]定位的q KR-Ch.6-1位于相同bin區(qū)間;單穗質(zhì)量qEW6與馬金亮[2]定位到的qEW6-2位于相同的bin區(qū)間;單穗粒質(zhì)量q KWE1與馬金亮[2]定位的穗粒質(zhì)量q KWE1-3處于相同bin區(qū)間,q KWE10也與馬娟等[25]定位的MQTL34處于相同bin。本研究在bin1.07 和bin6.05 上定位的同時調(diào)控出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量性狀的QTL與馬金亮[2]和趙小強(qiáng)等[24]定位的結(jié)果一致,同時影響多個性狀。綜上所述,本研究檢測到的QTL中有6個QTL 位點(diǎn)在前人研究的同一性狀中已被檢測到,可開展進(jìn)一步的精細(xì)定位工作,挖掘功能基因。同時另外2個出籽率QTL(q KR2,q KR5),1個單穗質(zhì)量QTL(qEW1),1個單穗粒質(zhì)量QTL(q KWE6)為本研究新檢測到的QTL,因此對這些新發(fā)現(xiàn)的QTL 附近是否存在控制穗部性狀的基因可做進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究利用201份玉米重組自交系在兩個環(huán)境中的表型值對玉米穗部性狀出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量以及兩個環(huán)境的BLUP 值進(jìn)行QTL定位,結(jié)果共檢測到10個出籽率相關(guān)性狀QTL,其中出籽率檢測到5個QTL,單穗質(zhì)量檢測到2個QTL,單穗粒質(zhì)量檢測到3個QTL,有4個QTL解釋的表型變異率大于10.00%。2個多效位點(diǎn)(q KR1,qEW1和q KWE1;q KR6,qEW6和q KWE6)都能控制出籽率、單穗質(zhì)量和單穗粒質(zhì)量,其中位于6號染色體的QTL在3個性狀中均能解釋大于10.00%的表型變異,可作為下一步研究的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。