玉米雄穗主軸長和分枝數QTL定位

吳昊 王瑞澤 何永輝 梁爽 劉歡歡

摘要：合理的雄穗結構在協調玉米株型、增加生物產量方面具有重要的意義，而雄穗結構的2個重要指標分別是雄穗主軸長和分枝數。本研究利用玉米雄穗主軸長和分枝數具有顯著差異的自交系Y915和鄭58構建重組自交系（RIL）群體，在連續自交6代后，利用高密度分子遺傳圖譜在3個環境（2020年春揚州、2021年春揚州和2021年夏鎮江）對玉米雄穗主軸長（TL）和分枝數（TBN）進行QTL分析。結果共檢測到6個雄穗主軸長QTLs，分布于1號、8號和10號染色體上，貢獻了5.10%～14.63%的表型變異；4個雄穗分枝數相關性狀QTLs，分布于1號、4號和6號染色體，貢獻了5.69%～10.56%的表型變異。其中在多個環境下檢測到qTBN1-1位點，并且此區間上還有1個控制雄穗主軸長的位點qTL1-1。本研究將為挖掘玉米雄穗主軸長和分枝數基因和分子標記輔助品種改良提供參考。

關鍵詞：玉米；雄穗主軸長；雄穗分枝數；QTL定位

中圖分類號：S513.032 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）15-0016-05

基金項目：江蘇省種業揭榜掛帥項目（編號：JBGS［2021］055）；江蘇省種業振興揭榜掛帥項目（編號：JBGS［2021］002）；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目。

作者簡介：吳 昊（1996—），男，江蘇揚州人，博士研究生，主要從事玉米遺傳研究。E-mail：874856414@qq.com。

通信作者：劉歡歡，博士，講師，主要從事玉米遺傳研究。E-mail：liuhh@yzu.edu.cn。

玉米是世界上極為重要的糧飼作物，在美國、中國、巴西等國家廣泛種植［1］。玉米雄穗性狀對產量有較大的影響，其中雄穗分枝數一般對產量有負作用。李建波研究發現，去除雄穗后玉米產量提高［2］。Lambert等研究發現，雄穗分枝數對玉米產量有負面影響［3-4］，這可能是由于過多的雄穗分枝數消耗大量養分，加劇與雌穗的競爭；同時由于產生的花粉過多，玉米葉片表面接受陽光面積變小，削弱了葉片的光合作用。較長的雄穗往往伴隨著更長的散粉時長，在高溫、干旱等逆境下有較好的籽粒結實率［5］。因此，選育大小合適的雄穗玉米品種，是玉米育種的目標之一。

玉米雄穗主軸長和分枝數是由多個位點協同控制的數量遺傳性狀。湯華等利用雜交種豫玉22號連續自交得到266份材料的F2：3群體，在武漢和襄樊2個環境下檢測到9個雄穗分枝數的數量性狀基因座（QTL），其中有5個在2個環境下均能被檢測到［6］；楊釗釗等在2個以黃早四為共同親本的重組自交系（RIL）群體中都檢測到一個主效雄穗一級分枝數QTL，貢獻率分別為17.4%和14.4%，且位點高度重疊［7］；高世斌等運用復合區間作圖法檢測N87-1與9625配制的含183個家系的F3分離群體，在干旱和正常2個環境下共檢測到雄穗主軸長和分枝數的11個QTL，其中有2個QTL在2個環境下均能被檢測到［8］；代資舉等以鄭58和昌7-2為親本組建RIL群體，在2年重復檢測到5個雄穗分枝數QTL，其中，qTBN5的表型貢獻率為19.92%，并將其精細定位到13.2 Mb區間之內［9］；張媛等利用雄穗分支數差異明顯的甜玉米T14與T4配制F2、F2：3群體，檢測到分別位于第2、4號染色體上的3個表現穩定的雄穗分枝數QTLs［10］。除了以上QTL定位結果以外，Guan等利用B73和CML247構成的RIL群體檢測到4個雄穗分枝數QTL位點，并克隆到負調節雄穗分枝數的基因ZmPAT7，當ZmPAT7基因啟動子發生變異，表達量下降以后，玉米的雄穗分枝數得到顯著提高［11］。盡管國內外開展了很多定位和克隆玉米雄穗主軸長和分枝數相關基因的工作，但由于研究中使用的群體種類、遺傳背景、環境條件等各因素的差異，能有效控制雄穗主軸長和分枝數的基因被發掘的不多，因此進一步對雄穗主軸長和分枝數的QTL定位和基因發掘工作是十分必要的。

本研究以雄穗主軸長和分枝數有顯著差異的Y915和鄭58為親本，經過多年連續自交得到了包含171個家系的RIL。通過構建的高密度遺傳圖譜對雄穗主軸長和分枝數性狀進行QTL分析，以期能夠在多個環境下找到穩定遺傳的QTL位點，為玉米雄穗性狀的改良以及選育理想雄穗株型提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

利用筆者所在實驗室玉米自交系Y915和鄭58在2017年雜交得到F1，在揚州和海南兩地連續自交6代后得到包含171個家系的重組自交系群體。

1.2 田間試驗設計

171個重組自交系群體以及親本在2020年和2021年分別種植于3個環境中（2020年春江蘇省揚州市揚州大學試驗田、2021年春江蘇省揚州市揚州大學試驗田、2021年夏江蘇省鎮江市世業洲試驗田，分別簡稱為20春揚州、21春揚州、21夏鎮江）。田間試驗采用隨機區組試驗設計，設置2個重復：行長2.5 m，短行行距30 cm，長行行距90 cm，每行種植10株，株距25 cm，田間管理按照當地正常栽培措施進行管理。

1.3 田間性狀調查

表型數據以行為單位進行調查。每行植株中，除邊上2株外，隨機選取3株對表型值進行調查，以3株玉米測定值的平均值作為此行的表型值。本研究于植株散粉期后20 d共調查了RIL群體中的雄穗相關性狀：雄穗主軸長（TL）和雄穗分枝數（TBN）。雄穗主軸長為雄穗穗頸節到雄穗頂部的長度（cm）［12］；雄穗分枝數為雄穗主軸及其分枝數目［13］。

1.4 數據處理

利用SPSS 21.0軟件對測定的各表型數據進行描述性統計和相關性分析，利用Microsoft Excel 2010處理分析基因型數據。

1.5 連鎖圖譜構建與QTL分析

將親本以及重組自交系送樣至北京中玉金標記生物技術股份有限公司，進行maize10K基因型檢測。參考陳俊宇等的方法［14］構建連鎖遺傳圖譜。

QTL 定位使用WinQTL Cartographer 2.5軟件進行，方法采用復合區間作圖法，使用 kosambi函數轉化圖距，作圖步長為1.00 cM （centimorgan，簡稱cM）。QTL的閾值設為2.5，QTL的置信區間為從LOD曲線的最高點下降1.5個LOD值的標記區間［15-16］。

本研究中 QTL命名參考 McCouch等的方法［17］，規則如下：雄穗相關性狀的QTL以qTBN1-1為例，q表示QTL，TBN為性狀英文字母縮寫，1-1表示在1號染色體檢測到的第1個QTL。

2 結果與分析

2.1 遺傳圖譜的構建

利用10K的SNP標記檢測RIL群體的基因型，將其中連續多個標記基因型結果相同的SNP作為一個bin，篩選后共得到2 120個bin（表1）。構建bin map遺傳圖譜，全長為2 582.22 cM，標記間平均距離1.22 cM，標記密度平均為0.82 bin/cM。bin標記的分布在各條染色體中并不均勻：1號染色體的遺傳距離最長（413.09 cM），9號染色體的遺傳距離最短（185.23 cM）；標記密度最大在2號染色體，為0.97 bin/cM，7號染色體標記密度最小，為 0.65 bin/cM（圖1-A）。以bin在各染色體上的位置信息為根據，計算bin兩兩之間的重組率（圖1-B）。

2.2 RIL群體雄穗分枝數和雄穗主軸長的表型和相關性分析

由表2可知，在3個環境中，2個親本的雄穗主軸長和分枝數都有顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）差異（21夏鎮江的雄穗主軸長除外）。RIL群體除了分枝數在21春揚州峰度大于1外，群體的雄穗主軸長和分枝數在其他的環境中峰度和偏度的絕對值都小于1，近似正態分布（圖2）。雄穗主軸長在3個環境下的變異系數分別是12.43%、11.89%和13.51%。雄穗分枝數在3個環境下的變異系數分別是31.03%、39.30%和31.22%。由基因型和環境的F值可知，2個性狀在遺傳差異和環境差異都表現為極顯著水平。

利用SPSS 21.0整合分析重組自交系群體3個環境下玉米RIL群體的雄穗主軸長和分枝數的表型值，結果（表3）表明，在3個環境下，雄穗主軸長之間呈極顯著正相關關系，相關系數為0.567～0.658；分枝數兩兩之間也呈極顯著正相關關系，相關系數為0.641～0.720。只有21春揚州雄穗主軸長和21夏鎮江雄穗分枝數以及20春揚州雄穗主軸長和20春揚州雄穗分枝數之間存在顯著相關關系，相關系數分別為-0.186和0.164，其余均無顯著相關性。

2.3 玉米雄穗相關性狀QTL定位

在3個環境下對雄穗主軸長和雄穗分枝數進行QTL定位，結果如表4和圖3所示。4個雄穗分枝數QTLs分別位于1、4、6號染色體上，LOD值的范圍為2.92～4.01，表型變異貢獻率為6.34%～10.56%，其中qTBN1-1表型貢獻率最大，達到10.56%，加性效應為1.34。雄穗主軸長的QTL位點共有6個，分別位于1、8、10號染色體，LOD值最大為5.21，最小為2.59，表型變異貢獻率為5.10%～14.63%。經過分析發現，在21夏鎮江環境下定位到的qTL1-3提供了最大的表型貢獻率，達到14.63%，加性效應為-1.56。

在20春揚州和21春揚州定位到了同一個控制雄穗分枝數的位點qTBN1-1，2個環境下可解釋的表型變異分別是10.56%和8.32%。并且此區間內在21春揚州檢測到1個控制雄穗主軸長的位點qTL1-1，解釋了8.73%的表型變異。

3 討論

玉米育種目標之一是選育合適的玉米雄穗表型的品種，即保證在有足夠粉量的同時盡量減小雄穗大小［18］。前人研究發現，雄穗分枝數與產量負相關，與雄穗大小正相關，是衡量雄穗大小的重要指標之一［19］，但雄穗主軸長與分枝數的相關性卻罕見報道。本研究利用Y915和鄭58構成的RIL群體計算了雄穗主軸長和分枝數的相關性，大多數環境下主軸長和分枝數之間并無顯著相關（表3），說明雄穗主軸長和分枝數可能是2個獨立的影響雄穗大小的指標。

本研究在3個環境中共檢測到10個雄穗主軸長和分枝數相關的QTL位點，分布在1、4、6、8、10號染色體上。檢測到的QTL位點部分與前人研究有重復性，其中玉米雄穗主軸長QTL有4個與高晶等的研究結果［20］一致。位于1號染色體上的qTL1-1和qTL1-3均在高晶等基于代換系CL108發現的qTL1-2區間重疊；8號染色體上的qTL8-1在高晶等基于代換系CL113發現的qTL8區間重疊；10號染色體上的qTL10-1則與高晶等基于代換系CL136發現的qTL10區間重疊。雄穗分枝數QTL定位結果有3個與前人研究結果一致。位于4號染色體上的qTBN4-1與代資舉等發現的qTBN4位點［9-10］在同一個區段內；位于6號染色體上的qTBN6-1與白成銀構建的齊319X黃早四群體于標記umc1656-umc1796內定位到雄穗分枝數區間［21］重疊；6號染色體上定位到的另外一個QTL位點qTBN6-2則縮小了高晶等在代換系CL95中定位到的位于標記Y6q120-phi299852之間的qTBN6-2位點［20］。與前人研究有相似的位點說明了本研究QTL檢測結果是真實可靠的。玉米雄穗主軸長和分枝數在多個環境下很少有重疊位點，這可能是由于在不同的環境條件下雄穗發育狀況不同，從而對位點的特異性產生了影響。

本研究中還存在qTBN1-1、qTL1-2和qTL8-2這3個前人未發現的QTL，其中qTBN1-1在2個環境中被檢測到，且表型貢獻率分別達到8.32%和10.56%，此QTL位點可能具有較高的育種利用價值。另外2個QTL位點qTL1-2和qTL8-2只在單環境下檢測到，這2個QTL則需要在新的不同群體中來驗證其有效性。

4 結論

本研究對雄穗主軸長和分枝數2個性狀進行分析，共檢測到10個QTLs，其中只有qTBN1-1被重復檢測到，且置信區間有重疊。同時這個區段還定位到1個控制雄穗主軸長的位點qTL1-1，表明這里可能存在控制雄穗主軸長和雄穗分枝數的一因多效或者緊密連鎖的基因，可能具有較高的育種利用價值。

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