玉米種質資源株高和穗位的全基因組關聯分析

中圖分類號：Q789；S513 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2025）08-0001-06

AGenome-Wide Association Study of Plant Height and Ear Height in Maize Germplasm Resou

LI Le1，LI Shi-feng2，LUO Zhi-chun2，YINLi-xin1，LI Wei-guo1，TANG Shun-xue1， YAN Zhi-bin2，TIAN Bing-chuan'

（1. Higentec Co.，Ltd.， Changsha 410128，PRC; 2. Gansu Dunhuang Seed Group Co.，Ltd.， Jiuquan 73500，PRC）

Abstract：This studyaimstoscreenoutthemaizegermplasmresources withsuitable plantheightandearheightforachieving high yields.The phenotypicdataand genotypicdataof215maizegermplasmresources werecolected，andagenome-widesociation study（GWAS）wasconductedfor theelite germplasmresources intermsofgenotype，diseaseresistance，and yield.Thecluster analysislasifde5esoustibos：，asteipigto andthematerialsarehighlyrepresentative.TheGWASof134elitemaizegermplasmresoucesidentifiedsevenQTLsrelatedtoplant heightandearheight.Amongthem，twoQTLsoverlapped withexistingcloned genes，andfiveQTLswerenewlyidentifed.OneQTL interval forbothplantheightandearheightwaslocatedonchromosome7.TheseQTLsprovideabasisforthefinemappingofplant height and ear height genes.

Key words： maize; germplasm resources; plant height; ear height; gene mapping

玉米是全球重要的糧食作物之一，它不僅是口糧，也是動物飼料和乙醇等工業產品的原材料[1-2]。近年來，我國玉米的總產量已經超過水稻和小麥，居我國糧食總產量首位，但玉米平均單位面積產量與發達國家相比仍然有較大差距，持續增產是玉米育種工作者面臨的重要任務和挑戰。近年來，為了進一步提高玉米的產量，種植戶不斷增加玉米種植密度，然而高密度種植會導致玉米莖稈變細，抗倒伏性變差，而合理降低株高和穗位高則可有效提高植株抗倒伏性。因此，探究玉米株高（plantheight，PH）和穗位高（earheight，EH）的遺傳機制，培育較低株高和穗位高的新品種是當前育種工作的重要方向之一[3-4]

玉米理想株型要求植株高度適中（中稈型， 180～ 250cm ）穗位整齊（中位穗型，距地面 80～120cm ），在密植條件下（ ?75000 株 /hm² ）仍能維持抗倒伏特性[5]。前人已利用QTL定位及GWAS方法對株高和穗位高性狀遺傳進行了較多研究，在不同的群體類型中挖掘了大量的QTL位點，已經克隆多個調控株高和穗位的基因，其中通過赤霉素（GA）合成和調控途徑參與玉米株高和穗位高調控的已知基因有Antherearl（AN1）、Dwarf3（D3）、ZmGA3ox2、Knotted1（KNI）和DELLA類蛋白基因等[6-10]。通過油菜素內酯生物合成及調控途徑參與玉米株高及穗位調控的相關基因有Nanaplantl（NA1）、Nanaplant2（NA2）、Brassinosteroid-deficient dwarf1（BRD1）等[1-13]。通過生長素合成及運輸途徑參與玉米株高及穗位調控的基因有Vanishingtassel2（VT2）、Brachytic2（BR2）、ZmPINla及Brevis plantl（BV1）等[14-17]。通過獨腳金內酯合成途徑參與玉米株高和穗位高調控的基因有 Carotenoid cleavage dioxygenase8（CCD8）[18]通過CLV-WUS負反饋回路參與調控株高的基因有Thick tassel dwarfl（TD1）、Compactplant2（CT2）和 ZmWUS1等[19-21]。此外，基因 Rough Sheath2（RS2）編碼的RS2蛋白是KNOX基因的負調控因子，其突變引起植株變矮[22]。基因Viviparous8（VP8）調控脫落酸（ABA）的積累，其株高變低[23]。Crinkly4（CR4）編碼TNFR類受體樣激酶，控制多種細胞分化反應致植株矮小[24]。通過微管活動途徑參與玉米株高和穗位高調控的基因有Tangled1（TAN1）、ZmRPH1及Clumped tassel1（CLT1）等[25-27]。通過植株營養成分運輸途徑參與玉米株高調控的基因有Sucroseexportdefectivel（SXD1）[28]。通過影響玉米根毛伸長途徑參與玉米株高調控的基因有Roothair defectivel（RTHl）[29-30]。通過光敏色素合成途徑參與玉米株高調控的基因Elongated mesocotyll （ELM1）[31-32]。Dwarf amp; iregularleafl（DIL1）基因主要通過影響激素途徑相關基因的表達調控株高[33]。這些基因大多數為隱性基因，與不良性狀連鎖或一因多效，能夠直接用于育種的基因非常少。因此，新資源的鑒定及基因的篩選或克隆，對玉米株高育種仍然具有十分重要的意義。本研究收集育種常用的核心種質資源215份，通過開展表型鑒定和基因挖掘，得到一些優質的基因位點，豐富株高基因種質資源庫，為培育出產量高、抗倒伏的玉米品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為敦煌種業玉米研究科學院提供的215份玉米自交系種質資源材料，其中104份自交系為公共平臺常用的自交系，111份為敦煌種業玉米研究科學院自選的自交系。

1.2基因型鑒定

1.2.1材料的采集供試玉米材料種植在甘肅省酒泉市敦煌種業玉米研究科學院基地，在玉米出苗近

1個月時，每份玉米種質隨機選取3株取相同葉位鮮嫩葉片混合，液氮速凍后置于干冰凍存，并寄送至湖南省長沙市華智生物技術有限公司進行基因型鑒定。

1.2.2DNA提取采用CTAB法進行DNA提取葉片樣品用 65^°C 烘箱干燥以后用鋼珠打碎，加入CTAB提取液進行抽提，并用氯仿-異戊醇進行沉淀。所獲得DNA樣品用 1% 瓊脂糖膠電泳檢測DNA完整性，并用微量分光光度計進行濃度測定。

1.2.3基因組測序質檢合格的DNA樣品用于測序文庫構建，包括DNA片段化、加測序接頭、目標片段回收、PCR擴增及純化、文庫質控等步驟。質控合格的文庫采用DNBSEQ-T7測序平臺進行PE150測序，每個樣品測約 20G 數據。

1.3 表型采集

先從215份種質資源中根據基因型和抗病及產量等表型優選出134份種質資源進行表型測定，待玉米植株生長至成熟期，使用塔尺測量株高和穗位高并記錄。

1.4 數據分析

利用GATK軟件，以玉米B73參考基因組Zea_mays.AGPv3版本作為對照對測序數據進行了SNPCalling；利用plink軟件對215份種質資源進行了聚類分析，并利用GEMMA軟件進行了GWAS分析。

2 結果與分析

2.1 玉米種質資源株高及穗位高統計

對134份種植材料進行株高和穗位的表型采集，統計數據見表1，株高采集數據134份，平均株高為 195.11cm ，最矮為 138cm ，最高為 283cm ；穗位采集數據134份，平均穗位高為 74.26cm ，最低為 39cm ，最高為 131cm 。

對134份玉米種質資源材料的表型數據進行統計分布作圖，如圖1A和圖1B所示，圖1A為株高的表型分布，符合正態分布。根據常用的株高類型劃分將材料分為3種類型：矮稈型材料（株高低于180cm ）42份，占比 31.3% ；中稈型材料（株高 180～ 250cm ）90份，占比 67.2% ；高稈型材料（株高高于 250cm ）2份，占比 1.5% 。圖2B為穗位表型分布，符合正態分布。根據穗位的高度可以將材料分為3種類型：低位穗型材料（穗位低于 80cm ）90份，占比 67.2% ;中位穗型材料（穗位 80～120cm ）42份，占比 31.3% ;高位穗型材料（株高高于 120cm ）2份，占比 1.5% 。

表1供試玉米種質資源的株高和穗位統計

圖1供試玉米種質資源株高和穗位的分布及相關性

供試的134份玉米種質資源材料的株高和穗位高度存在極顯著的正相關關系（圖1C），株高和穗位的相關系數 r=0.682 。大部分材料株高越高，穗位也越高。

2.2 玉米種質資源的聚類

供試的215份玉米種質資源材料中，根據公開文獻已知DJ200和DJ195為SS亞群，DJ193、DJ197和DJ198為NSS亞群，DJ-20和DJ194為PA亞群，DJ145和DJ146為塘四平頭亞群，DJ133和DJ138為旅大紅骨亞群，DJ-1為蘭卡斯特亞群。采用plink軟件構建系統進化樹用于這些種質的群體結構劃分。如圖2所示，供試的215份種質資源被劃分為6個亞群，分別為SS、NSS、PA、蘭卡斯特、塘四平頭和旅大紅骨。其中SS亞群資源有44份，占比 20.5% ；NSS亞群資源有61份，占比 28.4% ；PA亞群資源有21份，占比 9.8% ；塘四平頭亞群資源有15份，占比 7.0% ；蘭卡斯特亞群資源有46份，占比 21.4% ；旅大紅骨亞群資源有28份，占比 13.0% 。

2.3株高和穗位的全基因組關聯分析（GWAS）結果

將134份玉米種質資源材料的株高和穗位的表型數據以及基因型數據進行GWAS分析，結果如圖3A和圖3B所示。圖3A為株高的全基因組關聯分析曼哈頓圖，有20個與株高顯著相關的SNP位點，第1染色體和第7染色體上有較多的顯著位點。圖3B為穗位高的全基因組關聯分析曼哈頓圖，有32個與穗位高顯著相關的SNP位點，分布于第4、6、7、和8染色體。

如表2所示，在株高性狀上，定位到2個QTL位點，其中第1染色體上位于44535414附近，命名為qPH1.1，第7染色體上位于159570097附近，命名為qPH7.1。在穗位性狀上，定位到5個QTL位點，其中第4染色體上位于222642325附近，命名為qEH4.1，第6染色體上位于19887043和29140097附近，命名為qPH6.1和qPH6.2；第7染色體上位于159499103附近，命名為qEH7.1；第8染色體上位于152094386附近，命名為qEH8.1。

3 討論

3.1玉米株高及穗位高適中的種質資源挖掘利用

我國玉米種質資源豐富，不同生態型品種株高差異顯著。通過表型鑒定和遺傳標記技術，可以篩選出矮稈、耐密植資源，為改良株型提供材料基礎[34-35]。適宜的株高和穗位高可提高玉米植株的光合效率、養分利用率及抗倒伏性等，進而對產量具有重要影響。因此玉米株高和穗位高遺傳機制一直是研究熱點之一[36]。分子標記輔助選擇已成功將矮稈基因br2導人到玉米材料中，并成功選育出了玉米雜交矮桿品種[37-38]。本研究通過215份玉米種質資源的挖掘，得到一批株高符合理想株型的優質材料，為后續玉米育種的矮稈化打下堅實的基礎。

圖2供試的215份玉米種質資源的系統進化樹

圖3玉米株高和穗位全基因組關聯分析曼哈頓圖

表2玉米株高和穗位的QTL位點統計

玉米穗位作為關鍵農藝性狀，直接影響植株抗倒伏性、光能利用效率和機械化收獲適應性。種質資源在穗位性狀改良中發揮重要作用，自前主要利用地方品種、雜交種和外來種質3類種質資源。地方品種如中國西南高原種質（如四路糯玉米）具有低穗位特性，研究表明其攜帶調控株高和穗位分化的關鍵QTL[3，已成功應用于耐密植品種選育。熱帶種質（如CIMMYT群體）通過導人Reid和Lancaster種質，顯著拓寬溫帶玉米穗位遺傳多樣性[39]。然而，種質創新仍面臨表型精準鑒定困難、優勢等位基因聚合效率低等挑戰，本研究重點對玉米種質資源的穗位進行調查和研究，針對不同亞群都選擇了適合生產需要的中位穗型，這將加快優質玉米理想株型品種的育種改良。

3.2玉米株高及穗位的相關基因位點分析

玉米株高和穗位的基因研究為分子育種提供了重要理論支撐。近年來，通過全基因組關聯分析（GWAS）、QTL定位及基因編輯技術，已鑒定出多個調控株高和穗位的關鍵基因，為定向改良株型提供了新途徑。分子標記輔助選擇（MAS）結合多組學分析，顯著提升了耐密植品種的選育效率[40]。本研究通過134份優質的玉米種質資源材料進行關聯分析得到7個顯著的株高和穗位高相關的QTL位點，通過已公開發表的基因進行了比較，其中穗位QTL位點qEH6.1區間內包含了2個已經克隆的基因Tangled1（ TAN1）和 Dwarf amp; irregular leafl（DIL1 ）[25.33]，位點qEH8.1區間內包含了1個已經克隆的基因Clumpedtassel1（CLT1）[27]，這3個位點很可能是相同基因或等位基因；其余5個QTL位點以前沒有報道，為新的QTL位點，株高QTL位點qPH7.1和穗位QTL位點 qEH7.I 的位置區域非常接近，可能為同一個基因控制了株高和穗位，后續將作為一個重點基因位點進行深入研究。

4結論

經聚類分析，215份玉米種質資源可以分為SS、NSS、PA、蘭卡斯特、塘四平頭和旅大紅骨6個亞群；對優選出的134份種質資源進行全基因組關聯分析（GWAS），挖掘到株高和穗位高的QTL位點7個，其中2個與已經克隆的基因位點存在重合，5個為新的QTL位點，并且在7號染色體上株高和穗位同時定位到一個QTL區間。

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（責任編輯：高國賦）