基于SNP标记的玉米雄穗主要性状QTL定位分析

贾 波，崔 敏，谢庆春，严卫古，印志同*

(1.江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所，江苏 淮安 223001；2.扬州大学农学院，江苏 扬州 225009；3.江苏省区域现代农业与环境保护协同创新中心，江苏 淮安 223300)

【研究意义】雄穗性状是玉米生长发育过程中重要的农艺性状[1-2]，雌雄穗之间存在着一定的竞争，较小的雄穗有利于减少植株养分消耗，增加群体通风透光性，提高光合作用效率，进而提高玉米产量[3-4]。美国先锋公司近年来玉米品种的雄穗呈现着逐渐减小的趋势。刘元芝等[5]研究表明，在不追施氮肥的条件下，雄穗分枝数和雄穗重量与籽粒产量间呈显著负相关；在追施氮肥的条件下，雄穗分枝数与籽粒产量间呈显著负相关。但是从保存玉米种质资源、提高杂交制种产量以及保证逆境条件下高产稳产等角度考虑，又需要雄穗具有足够的小穗数和花粉量，以满足植株授粉的需要[6]。因此，合理的雄穗结构对于玉米生产的稳定发展具有重要的现实意义。【前人研究进展】近年来，科研人员对玉米雄穗性状的遗传特性展开了多方面研究。霍仕平[7]研究表明，除分枝数符合加性、显性遗传模型外，其余性状的遗传均可配合加性、显性、上位性模型。丰光等研究认为，玉米雄穗分枝性状遗传为多基因数量性状控制，且符合加性-显性-上位性多基因遗传模型，显性效应起主要作用，多基因遗传力较高。汤华等[8]利用豫玉22构建的266个玉米F2∶3家系为材料，检测到9个雄穗分枝数QTL，有5个QTL在两地同时被检测到，分布在1、3、9和10号染色体上，可解释表型变异的5.13%～12.01%。Upadyayula 等[9]研究发现2个雄穗分枝数和4个雄穗重相关的QTL。刘军霞等[10]以掖488×Va35-2 构建的230个F2∶3家系为作图群体，在2个环境下共检测到7个雄穗分枝数QTL和8个雄穗主轴长QTL，分别位于第1、2、3、4、5、6、7、9 和10号染色体上，且单个QTL的表型贡献率介于3.38%～17.01%之间。白成银[11]以玉米单天花突变材料与常规材料构建回交群体及回交家系群体，共检测到7个QTL，分别分布于2、3、5、7染色体上。杨钊钊等[12]以黄早四为共同亲本组配的11个重组自交系群体，对玉米雄穗一级分枝数、雄穗主轴长和雄穗干重3个性状进行QTL分析，对比不同群体结果发现，只检测到5个在3个群体中稳定表达的一致性QTL及16个在2个群体中稳定表达的一致性QTL。雄穗主要性状是多基因控制的数量性状，易受环境及遗传材料的影响，不同的研究人员定位结果往往存在着一定的差异，并且大多数研究人员构建的遗传连锁图谱平均图距较大，定位的精度不高，远远达不到标记辅助选择的要求。【本研究切入点】本试验应用SNP标记构建高密度遗传连锁图谱，对玉米雄穗分枝数、雄穗长、雄穗重等雄穗主要性状进行QTL定位。【拟解决的关键问题】旨在为下一步遗传研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用Z58和Y915构建的192个F2∶3家系作为作图群体。

1.2 表型数据采集

2016年夏及2017年春分别将Z58和Y915构建的192个F2∶3家系种植于江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所试验田、扬州大学农学院试验场。

采用行长5 m、行距0.6 m、每行20株的随机区组试验设计，2次重复。在散粉后10 d 调查雄穗长和雄穗分枝数，从每行的第6株起，连续调查5株。取下这5株的雄穗，晒干后称取雄穗重。

1.3 遗传连锁图谱构建

应用56 110个SNP标记对Z58×Y915的F2∶3群体进行多态性鉴定，获得14 283个多态性标记，通过单倍型分析筛选其中的1736个SNP标记构建遗传连锁图谱，总图距为1607.9 cM，标记间平均距离为0.967 cM。标记间的平均距离最大的是第10号染色体，距离为1.39 cM；标记间平均距离最小是第2号染色体，距离为0.712 cM。

1.4 表型数据分析及QTL连锁分析

表型数据分析：本实验的所有表型数据应用SPSS16.0进行分析处理。应用frequences分析功能，得到频数分布情况；使用ANOVA进行方差分析。QTL连锁分析：在Icimapping中运用复合区间作图法(CIM)，分析检测F2∶3群体中玉米雄穗主要性状的QTL数目，位置及效应。

2 结果与分析

2.1 表型数据分析

本研究调查了2016年淮安夏播和2017扬州春播2种环境条件下亲本Z58、Y915及其F2∶3群体的3个雄穗主要性状：雄穗长(TL)、雄穗分枝数(TBN)、雄穗重(TW)。从表1可以看出，亲本Z58和Y915在雄穗长、雄穗分枝数以及雄穗重等性状间存在着一定的差异，方差分析结果表明，F2∶3家系的雄穗长、雄穗分枝数以及雄穗重在基因型间、基因型与环境互作间均达到了显著或极显著差异，表明玉米雄穗主要性状的差异主要是由本身的遗传因素决定的。图1所示为2016年淮安、2017年扬州2个环境条件下，F2∶3群体雄穗主要性状的次数分布图。图中对角线显示各性状的次数分布，对角线上的值表示性状间的相关系数，对角线下方表示各性状的散点图。正态分布检验表明，F2∶3家系的雄穗长、雄穗分枝数及雄穗重在群体内分布比较广泛，近似符合正态分布，表现出典型的数量遗传特性，可以用于QTL定位分析，通过相关性检验分析，可以看出 3个性状之间的相关程度较高，雄穗分枝数和雄穗长、雄穗重 2个性状在不同的环境中均存在显著的相关，雄穗长与雄穗重之间相关性在2个环境中存在差异。

表1 玉米雄穗主要性状的描述性分析，方差分析和遗传力分析

注：**代表(P<0.01) 水平下差异显著。

Note∶ ** represent significant difference at 0.01 level.

2.2 QTL定位分析

在2016年夏淮安及2017年春扬州2个环境条件下，共检测到15个与TL性状连锁的QTL位点，分别位于第1、3、4、5、6、7、8号染色体上，可解释表型变异的0.66 %～22.58 %，在染色体 bin 值1.09、3.09位置，2个环境中均稳定检测到与TL连锁的QTL位点；共检测到12个与TBN性状连锁的QTL位点，分别位于第1、2、3、5、6、7、9号染色体上，可解释表型变异的3.05 %～23.80 %，在染色体bin值2.08、3.09位置，2个环境中均稳定检测到与TBN连锁的QTL位点；共检测到9个与TW性状连锁的QTL位点，分别位于第1、3、4、6、7、9号染色体上，可解释表型变异的4.52 %～27.55 %，在染色体bin值3.09、9.05位置，2个环境中均稳定检测到与TW连锁的QTL位点。在染色体3.09位置，2个环境中均检测到与TL、TBN、TW连锁的位点，该位点是否存在一因多效，有待于进一步研究验证(表2)。

3 讨 论

鉴于雄穗主要性状在玉米生长发育过程中的重要作用，研究人员对其遗传特性展开了较多地研究。杨钊钊[12]等研究发现，玉米雄穗分枝数和雄穗主轴长的广义遗传力分别介于92 %～96 %和85 %～95 %。刘军霞等[10]研究表明在2个环境下雄穗分枝数和雄穗主轴长的广义遗传力同样都较大，分别为78.65 %和81.09 %。本研究中F2∶3家系的雄穗长、雄穗分枝数、雄穗重遗传力也较大，分别为69 %、67 %、61 %，因此选择玉米雄穗优良性状时，要特别注重对基础材料的早代选择。

***, 代表P<0.001水平下差异显著；**, 代表P<0.01水平下差异显著；*, 代表P<0.05水平下差异显著***, significant at P<0.001; **, significant at P<0.01; *, significant at P<0.05图1 不同环境条件下F2∶3群体雄穗主要性状的次数分布Fig.1 Frequency distribution of tassel traits in F2∶3 population under two different environments

表2 不同环境条件下检测到的雄穗性状QTL

QTL定位方面，本研究在淮安、扬州 2 个环境条件下共检测到15个与雄穗长(TL)性状连锁的QTL位点，位于染色体bin值1.04、1.09、3.04、3.05、3.09、4.01、4.09、5.01、6.01、7.00、8.05、8.06位置，可解释表型变异的0.66 %～22.58 %，其中淮安环境条件下检测到的染色体bin值8.06位置的2个QTL位点效应值较大，可分别解释表型变异的10.26 %、22.58 %。TL性状QTL定位分析前人研究较多，高世斌[13]在染色体bin值2.05～2.06、6.06～6.07、2.05～2.07、4.10、10.01～10.02位置检测到与TL连锁的位点；杨钊钊[12]在11个群体中检测到与TL性状连锁的环境钝感的主效QTL位点位于染色体bin值1.06、2.04位置；刘军霞[10]在不同环境下F2∶3家系中检测到的与TL连锁的位点位于染色体bin值2.04、3.04、6.05、7.02、9.01、10.01、10.03位置。比较发现，刘军霞[10]在3.04位置检测到的位点与本研究结果比较一致，其他研究人员的结论与本研究差异较大。雄穗分枝数(TBN)方面，本研究在2个环境下共检测到12个与之连锁的QTL位点，位于染色体bin值1.07、2.01、2.08、3.08、3.09、5.03、6.01、7.04、9.00、9.07位置，可解释表型变异的3.05 %～23.80 %，其中淮安环境下在染色体bin值3.09、5.03位置、扬州环境下染色体bin值3.09位置检测到的位点效益值较大，可分别解释表型变异的12.87 %、11.83 %、23.80 %。Mickelson[14]在染色体bin值2.02、2.05、2.07、3.04位置检测到与TBN连锁的QTL位点；Edward S.Buckler定位预测的位点位于染色体 bin 值2.04、3.04位置；高世斌[13]定位的TBN位点位于染色体bin值2.05～2.06、6.06～6.07、2.05～2.07、4.10、10.01～10.02位置；白成银[11]通过构建单天花突变材料与常规材料的回交群体及回交家系群体，检测到与TBN连锁的位点位于染色体bin值2.04、3.06、5.04、7.02位置；王迪等[15]构建Q/H群体在6个环境下检测到的TBN性状QTL位点数目比较多，分布位于1、2、3、4、6、7、8、10号染色体上。其中王迪[15]检测到的Qqtpbn2-1、Qqtpbn3-32个位点分别位于染色体bin值2.08、3.09位置与本试验研究结果比较一致，其他研究人员的结论与本试验差异较大。雄穗重方面，本研究定位的位点位于染色体bin值1.07、3.03、3.09、4.01、4.08、6.00、9.05位置，可解释表型变异的4.52 %～27.55 %，其中扬州环境下染色体bin值3.09、9.05位置检测到位点效益值比较大，可分别解释表型变异的12.16 %、27.55 %。对于雄穗重的QTL定位研究相对较少，王迪[15]在Q/H群体中检测的位点位于染色体bin值1.02、1.04、1.08、1.11、6.00、7.01、7.02、7.03、9.00、10.04位置，与本试验研究结果差异较大。

综上所述，不同研究人员因遗传材料、群体类型、种植环境等因素的影响，雄穗主要性状的QTL定位结果存在着较大的差异。怎样整合不同研究人员试验结论，解析雄穗性状的遗传机理，并应用于育种实践，仍需要进一步研究探索。