玉米自交系穗部性狀的全基因組關聯分析

摘"要：玉米穗部性狀顯著影響產量，通過全基因組關聯分析（GWAS）挖掘與穗部性狀緊密關聯的遺傳位點，不僅有助于理解這些性狀的遺傳基礎，還可以開發分子標記，為分子標記輔助選擇育種奠定基礎。本研究選用350份玉米自交系構成的自然群體，利用玉米6H60K芯片鑒定自交系的基因型。采用混合線性模型（MLMM）對穗行數、穗軸粗、穗長、行粒數和穗粗等性狀開展全基因組關聯分析，篩選與目標性狀關聯的SNP標記。研究結果顯示，五個穗部性狀在試驗群體中均呈現正態分布特征，兩個環境下各性狀的變異系數均大于10%，5個性狀的偏度和峰度值均在-1～1之間；以Plt;0.000 1為標準，共獲得32個與玉米穗部性狀顯著相關的SNP位點，分布于1～10號染色體上。結果表明，玉米自交系穗部性狀作為典型的數量性狀，主要受微效多基因控制，遺傳基礎復雜。

關鍵詞：玉米自交系;穗部性狀;SNP;群體結構;全基因組關聯分析

中圖分類號：S513""文獻標識碼：A""文章編號：0488-5368（2025）03-0007-06

Genome-Wide Association Study of Ear Related Traits in Maize Inbred Lines

BAI Qiyan1，2， NAN Wenzhi1，2， ZHANG Xiong1，2，YANG Hongxia1，LIUTingting1

（1.College of Life Sciences ，Yulin University，Yulin， Shaanxi， China 2. Engineering and Technology Research Center of

Water-Saving for Crops in Arid Area of Northern Shaanxi， Yulin ， Shaanxi 719000， China）

Abstract：Maize ear traits play an important role in determining yield. Genome-wide association studies （GWAS） can help find genetic sites related to these traits， which improves understanding of their genetic basis and supports the development of molecular markers for breeding. In this study， a total of 350 maize inbred lines were used， and their genotypes were identified using the maize 6H60K chip. A mixed linear model （MLMM） was applied to study key ear traits， including ear row number， cob diameter， ear length， kernel number per row， and ear diameter， and to identify SNP markers linked to these traits.The results showed that all five ear traits followed a normal distribution in the tested population. The variation coefficients for each trait were greater than 10% in both environments， and the skewness and kurtosis values ranged between -1 and 1. Using a significance level of P lt; 0.0001， a total of 32 SNP loci related to maize ear traits were found across chromosomes 1 to 10. These findings suggest that maize ear traits are quantitative traits mainly controlled by many small-effect genes and have a complex genetic background.

Key words： Maize inbred lines; Ear traits; SNP; Population structure; GWAS

提高玉米產量是育種的核心目標。玉米產量主要取決于三個因素：單位面積上的穗數、每穗的粒數以及粒重[1]。其中，穗部性狀作為產量構成的關鍵因素，一直受到育種家的密切關注。穗部性狀包括了穗長、結實長度、穗的直徑、穗行數以及粒數等。由于這些性狀具有顯著的遺傳效應[2]，因此，深入研究玉米穗部相關性狀的遺傳機制，對于提升玉米產量具有極其重要的價值。

玉米的穗部性狀是由多個基因共同調控的數量性狀，容易受到環境因素的影響。通過在不同的群體中進行全基因組關聯分析（GWAS），已經發現了大量與玉米穗部相關性狀的基因位點。例如，Yi等[3]利用重組自交系（RIL）和F2群體，成功鑒定出13個與穗軸粗相關的數量性狀位點（QTL），這些QTLs能夠解釋表型變異的4.3%～8.7%。Guo等[4]使用由鄭58x昌7-2構建的231個F2：3家系中，在兩種不同的密度條件下進行兩組試驗，成功鑒定出13個控制穗軸粗的QTLs。其中，有3個QTLs解釋表型變異率的13.65%～24.71%。在韓國糯玉米構建的F2：3群體中，Choe等[5]成功地鑒別出7個控制穗軸粗度的數量性狀位點（QTL），解釋表型變異率為4.4%～12.9%。王幫太等[6]通過元分析方法，整合了與產量性狀相關的QTL，發現5個與穗軸粗度相關的QTL是一致的，其中，2個元-QTL位于籽粒產量的關鍵區域。Su等人[7]采用了復合區間作圖和最小絕對值收斂和選擇的方法，分別鑒別出2個和3個控制穗軸粗度的數量性狀位點（QTLs）。Zhu等[8]在全基因組關聯分析中發現5個單核苷酸多態性（SNPs）和穗軸粗度顯著相關，確定6個候選基因。Zhang等[9]在研究中結合連鎖分析和關聯分析，成功確定了13個控制穗軸粗度的數量性狀位點（QTLs）和25個與穗軸粗顯著相關的單核苷酸多態性（SNPs）。張煥欣等[10]在203份玉米自交系構建的關聯群體基礎上，對穗行數的遺傳機制進行了深入解析，成功檢測到9個與穗行數顯著相關的單核苷酸多態性（SNPs），并找到4個候選基因。吳律等[11]利用80份核心玉米自交系進行了深入的行粒數關聯分析，檢測到19個與行粒數緊密相關的單核苷酸多態性（SNP），這些SNP的具體位置和影響已被精確鑒定。馬娟等[12]在309份玉米自交系構成的關聯群體中，精心展開了對調控穗軸粗度的遺傳位點的探索工作，成功地判斷出12個與穗軸粗度顯著相關的單核苷酸多態性（SNPs）。Yang等[13]在126個玉米自交系中，檢測到116個與穗粗、穗行數和行粒數相關的SNP位點。錢佳翼等[14]在來源廣泛的玉米自交系中，利用10個重組自交系群體，挖掘出與穗長、穗行數、穗重和穗軸重等穗發育性狀相關的17～34個關聯位點[15]，深入研究穗型和粒型相關性狀的全基因關聯分析，成功識別出28個穗型相關的單核苷酸多態性（SNPs）和16個與粒型相關的SNPs。

由于玉米穗部性狀遺傳基礎復雜，基因組變異豐富，不研究群體的遺傳位點差異可能較大。同時玉米全基因組已經完成測序[16，17]，但有關玉米穗部性狀的全基因組關聯分析的研究報道較少。本研究通過使用350份自交系構建的遺傳群體，為了深入剖析這些自交系的穗部性狀，我們采用了23 801個高精度的單核苷酸多態性（SNP）標記。基于多種模型，我們成功地識別出了與穗部性狀顯著關聯的位點。這些研究成果也為玉米遺傳學和分子育種領域的發展提供了新的思路和方法，有助于推動農業生產的可持續發展。

1材料與方法

1.1材料

本試驗材料來源于1 200份重要的育種材料。通過2021年和2022年的田間表型鑒定，選擇性狀差異較大的350份自交系。試驗材料采用完全隨機設計種植于陜西省榆林市榆陽區國家農業示范園區，分別于2021年和2022年兩個環境下雙行種植，行距0.6 m，株距0.25 m，行長3 m，外側設置1 m保護行；成熟后按自交系統一收獲晾曬，隨機挑選玉米穗，按照相關標椎進行表型性狀測量。田間管理按照大田常規管理，適時施肥、灌溉、噴灑除草劑，避免各種生物和非生物脅迫。

1.2方法

1.2.1表型數據統計分析利用R語言對不同環境穗部性狀進行相關性分析。利用QTL IciMappingv4.0對2021年和2022年兩個環境下的表型數據進行方差分析、遺傳力評估以及計算穗部性狀最佳線性無偏估計值（BLUE）。

1.2.2基因型鑒定和分析基于AFFYmetrix芯片檢測平臺，采用Maize6H-60K芯片進行基因分型。基因芯片分析系統檢測流程包括DNA提取、DNA樣品質量檢測、DNA均一化、DNA線性擴增、DNA片段化、片段化DNA沉淀與重懸、芯片雜交、芯片清洗、單堿基延伸及染色、芯片掃描、數據質控、SNP分型等流程。采用TASSEL5.0軟件檢測群體SNP。

1.2.3全基因組關聯分析利用分布在10條染色體上的SNP標記鑒定350份玉米種質資源構成的自然群體的基因型，同時對上述玉米自交系的穗長、穗行數、行粒數、穗粗、穗軸粗等性狀在不同年份開展田間鑒定試驗，獲得相應的表型數據。利用混合線性模型（MLM）篩選與上述穗部性狀相關的SNP位點。

2結果分析

2.1芯片基因分型

利用TASSEL5.0軟件對28 496個SNP基因型數據進行描述性分析，以最小等位變異頻率（Minor AlleleFrequency）gt;0.01和缺失數據比率（Proportion Missing）lt;0.01為標準，進行質量控制，即去除質量較低的SNP，

篩選到23 801個SNP標記用于后續分析（圖1）。經過質控篩選后的SNP標記分散到每條染色體上，可用于后續GWAS分析（圖1）。

2.2穗部性狀的表型變異分析

通過統計分析穗長、穗行數、行粒數、穗粗、穗軸粗等5個穗部性狀的表型數據（表1），發現5個穗部性狀在2個環境中各表型變異范圍不同，2021年變異范圍分別為4.92～19.00、1.41～5.83、8.00～24.00、6.0～38.00、0.85～3.33；2022年的變異范圍分別為3.83～21.33、2.67～8.00、10.00～24.00、10.00～46.00、1.10～3.73。行粒數在兩個環境下的變異系數最大為29.40%和21.97%，2021年穗行數的變異系數最小為17.50%，2022年穗粗的變異系數最小為12.40%。同時，各性狀在2021年環境的變異系數均大于2022年環境，其中穗粗、穗軸粗和行粒數2 a的變異差值達到7%以上，表明各性狀受環境影響較大。廣義遺傳力（H2）表現為穗行數gt;穗軸粗gt;穗長gt;行粒數gt;穗粗，其遺傳力分布范圍為0.39～0.58，穗行數具有最高的遺傳貢獻率，而穗粗的遺傳變異度最低。表明環境因素對穗行數的影響最小，對穗粗的影響最大。

2.3穗部性狀的方差分析

方差分析結果表明（表2），5個穗部性狀的基因型、環境以及基因型與環境互作型效應均達到極顯著差異（Plt;0.001），表明基因型、環境以及基因型與環境互作對5個穗部性狀的形成均具有顯著影響，同時穗長（EL）、行粒數（KNR）的基因型、環境、基因型與環境互作型方差較大，表明了不同自交系、不同環境對這兩個性狀影響較大。

2.4玉米穗部性狀相關性分析

為進一步分析穗部性狀間的關系，本研究使用BLUE值對5個性狀進行相關性分析。結果表明（圖2），穗部性狀相關性表現在穗長與穗粗、行粒數、穗軸粗呈極顯著正相關，穗粗與穗行數、行粒數、穗軸粗呈極顯著正相關。穗部性狀中，以穗長與行粒數的相關性最高（r2=0.66），表明穗部性狀之間的相關性較為密切。

2.5玉米穗部性狀的全基因組關聯分析

通過MLM模型對穗部相關目標性狀進行了全基因組關聯分析，在2個環境中共檢測到32個與穗部性狀顯著關聯SNP位點（穗長7個、穗粗16個、穗行數1個、行粒數1個、穗軸粗7個），分別分布在玉米的1～10號染色體上，解釋表型變異率（R2）范圍為6.27%～12.3%，其中1號和10號染色體上目標性狀相關SNP數量最多（7個），5號和6號染色體上目標性狀相關SNP數量最少（1個），平均每條染色體上有3.2個相關SNP（表3）。有5個顯著相關SNP的R2值大于10%，與穗粗和穗軸粗有關；穗行數和行粒數僅定位到1個SNP（表4）。

3討論

五個穗部性狀的變異系數范圍介于12.4%～29.4%之間，表現出豐富的遺傳變異，其中玉米穗行數的遺傳力最高，穗粗的遺傳力最小，表明穗行數受環境影響最小，穗粗受環境影響最大。穗長、穗行數、穗粗、行粒數和穗軸粗等5個性狀之間主要表現為正相關，其中穗長與行粒數的相關性最高，行粒數與穗行的相關系數值最低。穗長性狀在1號染色體上關聯到5個SNP位點，表明調控穗長性狀的遺傳主要位于1號染色體。其中，Affx-291 400 233、Affx-291 430 439和Affx-291 377 647的位置非常接近，位于17.17-17.49 Mb的區間內；Affx-291 395 779和Affx-291 406 977僅差4 563 bp。Massman等[18]指出，當顯著性SNP之間的距離小于5 cm時，可以將它們歸為一個數量性狀位點（QTL），表明上述5個位點附近有多個調控穗長的QTLs。Affx-291 427 804位于10號染色體，與殷芳冰等[19]定位的10號染色體上QTL熱點區間148.671～149.279 Mb接近，表明該位點附近存在調控穗長的遺傳位點。在穗粗性狀中，篩選到16個相關聯的SNP標記，其中3號染色體上的Affx-291 427 904和Affx-291 385 567與孫達秋[20]定位到的3號染色體SNP熱點區間218.404 8～219.243 7 Mb相差4 Mb；6號染色體上的Affx-291 412 949與殷芳冰等[21]定位到的6號染色體SNP位置162.81 Mb接近，相差4 Mb；4號染色體上的Affx-291 404 979位于楊林[22]等定位到的SNP物理位置154.46 Mb附近，相差4 Mb。在穗行數性狀中，定位到1個SNP位點（Affx-291379632），該標記位點位于2號染色體上，具體位置是23.59 Mb，對應的是Affx-291 379 632。這個位點位于殷芳冰等[21]確定的QTL熱點區間2號染色體22.071～26.774 Mb之間。在行粒數性狀中，篩選到1個SNP標記（Affx-88 995 762），和楊林[22]等定位的8號染色體SNP位點135.35 Mb非常接近。在穗軸粗性狀中，篩選到7個SNP標記，1號染色體定位到上的Affx-291 442 820位于SNP熱點區間19.435-33.699 Mb之間；9號染色體上的Affx-291 421 885物理位置在16.50 Mb處，位于定位的9號染色體SNP熱點區間11.889～17.943 Mb之間；10號染色體定位的Affx-291 414 865、Affx-291 386 836分別位于定位的10號染色體SNP熱點區間6.925～11.925 Mb和13.767～18.856 Mb之間[21]。本研究基于全基因組關聯分析挖掘玉米穗部性狀的關聯位點，對解析雌穗性狀遺傳結構具有重要意義，所鑒定的熱點區間可為雌穗性狀調控基因克隆提供理論參考。

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