新疆玉米苗期耐旱性狀全基因組關聯分析

常曉春 李建平 郝曉燕 胡文冉 陳 果 高升旗 足木熱木·吐爾遜 趙 準 黃全生 *

（1新疆農業科學院核技術生物技術研究所，新疆烏魯木齊 830091；2新疆農作物生物技術重點實驗室，新疆烏魯木齊 830091）

新疆屬于干旱半干旱地區，地下水位逐年下降，可用于農業生產的水資源逐年減少。目前，影響新疆玉米生產最主要的問題是干旱，新疆玉米開花期受到干旱脅迫是導致玉米減產的主要原因。為解析玉米的耐旱性，國外科研人員從數量遺傳學角度開展了大量工作，利用傳統的QTL定位和關聯分析等方法，分析玉米每株穗數、穗長、單穗重、單穗粒數、百粒重等產量性狀以及開花—吐絲間隔期（anthesissilking interval，ASI）、株高、穗位高、根的相關性狀等耐旱相關性狀來間接地確定玉米的耐旱性[1]。以這些性狀為基礎，大量的玉米耐旱性QTLs被定位。近年來，國內科研工作者在耐旱相關基因研究方面取得了很大進展。研究人員利用來源于30個連鎖分析群體共5 000個自交系的玉米NAM群體，對干旱條件下玉米產量和ASI等7個性狀進行定位，通過聯合連鎖分析檢測到169個QTLs，這些SNPs位點位于354個候選基因上[2-4]。

國內外科研工作者已在玉米耐旱QTL定位和玉米耐旱相關基因發掘方面取得了一定進展，但這些還遠遠不能滿足目前新疆玉米生產實際的需要。究其原因，主要是目前玉米耐旱性QTL定位主要集中在玉米自交系上，并沒有利用生產上應用的玉米雜交種（F1）進行耐旱性QTL位點挖掘。因此，本研究在前期研究的基礎上進行玉米F1關聯群體的田間耐旱性鑒定與評價，開展全基因組關聯分析，并在耐旱性優異的回交材料中進行前景選擇，以期獲得玉米耐旱優異新種質、新材料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為包含384個雜交種（F1）的玉米關聯群體。該群體是利用我國玉米生產中常用的96個自交系為母本、4個骨干自交系（鄭58、昌7-2、339M、339F）為父本，依據不完全雙列雜交（NCⅡ）設計構建的。這些自交系分別來源于不同玉米生態區，屬于不同的雜種優勢亞群，具有廣泛的遺傳基礎，是進行耐旱關聯分析的良好材料。

1.2 試驗方法

1.2.1 耐旱性鑒定。田間試驗于2020年5月在新疆瑪納斯生物育種基地和新疆農業科學院綜合試驗場基地進行，采用 α-lattice 設計（16×16），選地塊高低均勻、滴管分流流暢的大田，設置干旱脅迫和常規滴灌2個處理。為了嚴格進行耐旱相關性狀鑒定，本研究中田間水分管理如下：2個處理試驗區域均采用滴灌，常規滴灌和干旱脅迫處理播種后頭次水澆灌一致，以保證出苗；然后，常規滴灌處理每隔20 d澆水1次，直至收獲，保證玉米生長正常需水；干旱脅迫處理在播種后20 d和40 d各澆水1次，玉米開花期前后均不滴灌，至授粉完成后10 d澆1次水保證結實籽粒后期發育，屬于中度干旱脅迫。玉米生長期間如遇降雨，根據雨量和持續情況判斷下次澆水與否。2個處理之間至少相隔2 m以上，防止水分相互滲透，每個處理2次重復。試驗材料為一模兩行，行長5 m，株距20 cm，種植密度大約為8.4萬株/hm2。

試驗期間調查形態性狀，記錄玉米出苗期、散粉期和抽絲期，于每個生長關鍵節點考察小區的總株數、結實株數、株高、穗位高、雄穗長度和結實株數百分率。調查標準：出苗期為小區內50%的植株出苗且苗高2 cm的日期；散粉期為小區內50%的植株雄穗散粉的日期；抽絲期為小區內50%的果穗吐絲的日期；株高為由植株基部到頂部的高度，每行測8株；穗位高為由植株基部到主穗穗節的高度，每行測8株；雄穗長度為雄穗第一節到頂部的長度，每行測8株；總株數為小區內存活的植株總數；有效株數為小區內能正常結實的株數。

1.2.2 玉米耐旱性關聯分析。通過耐旱性鑒定試驗，初步獲得了1年的表型數據，在384個F1群體中挑選耐旱性差異顯著的極端材料各30份，分為耐旱組與不耐旱組，然后在大田干旱條件下取材提取RNA，混池后進行轉錄組分析，鑒定差異表達基因。同時，選擇耐旱性最好的F1材料，分別用各自親本（鄭 58、昌 7-2、339M、339F）進行回交，利用全基因組關聯分析鑒定玉米耐旱性關聯位點。

1.3 數據處理方法

利用軟件Power Marker V3.25進行遺傳多元性、多態性統計分析基因，應用統計分析軟件SAS V9.4編程進行典型相關分析、方差分析、因子分析和表型性狀數據分析，選擇75%以上變異的性狀進行耐旱性評價，根據群體中所有單株的基因型以及表型數據進行統計分析[5-6]。

利用全基因組SNP標記構建耐旱相關性狀圖譜，以玉米高密度分子標記連鎖圖譜（Intermated B73XMo17 Map，IBM）與 IBM2 2008 Neighbors玉米連鎖圖譜為參考圖譜，產生的IBM neighbors高密度圖譜，比對QTL定位的原始圖譜與參考圖譜，確定玉米抗旱相關QTL的比對標記及坐標，發掘出與目標性狀關聯的標記位點[7-9]。對表型數據的QTL分析可以得到控制表型的關鍵基因組區間，通過QTL定位分析雜種優勢的形成機制選取重要關聯位點及其基因型，控制雜種優勢表型性狀的基因位點的遺傳效應。

2 結果與分析

2.1 玉米耐旱性初步鑒定

在新疆大田條件下，對包含384個雜交種（F1）的玉米關聯群體進行初步的耐旱性鑒定，調查獲得了開花—吐絲間隔期（ASI）、株高（PH）、穗長（EL）等數據。結果（圖1）顯示，在干旱脅迫條件下，開花—吐絲間隔期明顯長于常規滴灌，株高和穗長明顯小于常規滴灌，且都有較大的變異。說明干旱脅迫可使玉米開花—吐絲間隔期（ASI）變長，株高變低，穗長變短。方差分析表明，F1群體中基因型、干旱脅迫對開花—吐絲間隔期都有極顯著影響，且基因型與干旱脅迫的交互效應對開花—吐絲間隔期有顯著影響；基因型和干旱脅迫對穗長和株高都有極顯著影響，干旱脅迫與常規滴灌處理間玉米開花—吐絲間隔期（ASI）、株高（PH）、穗長（EL）差異均達極顯著水平。

2.2 玉米耐旱性關聯分析

分位數-分位數圖縱軸是SNP位點的實際-log10P值，橫軸是理論-log10P值（假設SNP與表型不相關），顯示了每個SNP位點P值實際值與理論值的差異。從圖2（a）曼哈頓圖可以看出，利用全基因組關聯分析（GWAS）鑒定到16個REC關聯的位點，只有3號染色體上有一個很高的峰，這幾乎是最理想的GWAS結果。圖2（b）這種翹尾巴的形式是最理想的分位數-分位數圖結果，可以看到從橫坐標大于2開始，GWAS結果的P值與理論P值就有了明顯的差距，說明表型和基因型之間確實存在顯著的相關關系。曼哈頓圖本質上是一個散點圖，用于顯示大量非零大范圍波動數值，最早應用于全基因組關聯分析(GWAS)研究展示高度相關位點，以染色體編號為橫坐標、以SNP位點相關統計顯著性P值的-log10變換值（-log10P）為縱坐標，其中P值為SNP位點相關顯著性（SNP位點與表型的關聯程度）。

3 結論與討論

玉米是典型的異交作物，玉米耐旱性的相關性狀、形態結構與植株的水分吸收和散失有密切關系，形態結構良好是玉米耐旱的機制之一[10]。玉米生產中廣泛應用的是雜交種（F1），但在全基因組水平上直接利用F1群體進行玉米耐旱性QTL的解析鮮有報道。因此，這方面的理論研究大大落后于實際生產需求。研究實例表明，利用F1進行關聯分析正在成為一種趨勢和研究方向。由于F1產量高、生物量大，利用F1進行遺傳學研究，挖掘與實際田間表現有關的遺傳信息，能夠為作物分子育種提供可以直接利用的遺傳和分子信息，從而更高效地推動作物分子育種[11-14]。本研究利用96個自交系為母本、4個骨干自交系為父本，依據不完全雙列雜交（NCⅡ）設計構建了包含384個F1的群體，開展了遺傳多樣性和群體結構等分析。在全基因組學水平對新疆的玉米種質資源進行系統的基因型鑒定，共鑒定到16個REC關聯的位點。課題組選定開花—吐絲間隔時間（ASI）、結實率（ESP）、產量（GY）和相對產量（RGY）等指標進行田間耐旱性全基因組關聯分析，整合4個指標關聯區域，初步獲得138個與花期干旱相關的整合區域，能夠解釋34%～49%的性狀表型變異。整合區域與前面16個REC關聯區域重疊，其中4個REC關聯的單倍型可以有效地區分農藝性狀。將為解析玉米耐旱分子機制和培育耐旱玉米新品種提供理論依據與優異耐旱新種質[15-18]。