趙小強(qiáng) 任 斌 彭云玲 徐明霞 方 鵬 莊澤龍 張金文 曾文靜 高巧紅 丁永福 陳奮奇

甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 甘肅蘭州 730070

玉米(Zea mays)是高效的 C4糧食作物, 蘊(yùn)藏著巨大的產(chǎn)量潛力, 并在維護(hù)糧食安全、促進(jìn)畜牧業(yè)和工業(yè)發(fā)展中具有舉足輕重的作用。玉米對(duì)干旱比較敏感, 干旱缺水不僅影響玉米正常生長(zhǎng)發(fā)育, 干擾其生理生化代謝, 而且嚴(yán)重影響產(chǎn)量和品質(zhì)[1-2]。因此, 提高玉米的抗旱能力進(jìn)而增加其產(chǎn)量已成為玉米育種者努力的方向[3]。玉米的穗部性狀是典型的數(shù)量遺傳性狀, 受多個(gè)微效基因的調(diào)控, 由于其遺傳力較高, 并在產(chǎn)量形成中具有重要作用, 因而穗部性狀作為抗旱性改良指標(biāo)在抗旱分子育種研究中得到了極大關(guān)注[4-5]。近年來, 借助分子標(biāo)記技術(shù)鑒定干旱脅迫下調(diào)控玉米穗部性狀的基因組區(qū)域?yàn)檫M(jìn)一步深入剖析其遺傳機(jī)制提供了可行的手段。

目前, 已有相關(guān)研究對(duì)干旱脅迫下玉米穗部性狀進(jìn)行了遺傳剖析。譚巍巍等[3]以掖 478×黃早四和齊 319×黃早四構(gòu)建了 2套 F2：3群體, 在干旱脅迫和正常水分條件下檢測(cè)到75個(gè)調(diào)控穗長(zhǎng)、穗粗、軸粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒重和單穗重的QTL。Guo等[6]利用 5003×P138組合的重組自交系(recombinant inbred lines, RILs)群體在干旱脅迫條件下定位到 3個(gè)調(diào)控穗行數(shù)的QTL。Lu等[7]采用綜3×87-1的RILs群體在干旱和正常灌溉條件下挖掘到 5個(gè)調(diào)控穗長(zhǎng)、行粒數(shù)和單穗重的“一致性”QTL。Sabadin等[8]通過 L-08-05F×L-14-4B組合的 F2：3群體在 5種水分環(huán)境下檢測(cè)到29個(gè)調(diào)控雌穗個(gè)數(shù)、單穗重、穗長(zhǎng)、穗粗、穗行數(shù)和行粒數(shù)的 QTL。甚至, 隨著學(xué)者對(duì)玉米穗部性狀QTL定位的不斷推進(jìn), 部分相關(guān)功能基因已被克隆。Calderón 等[9]以 W22×CIMMYT8759構(gòu)建的重組染色體近等基因系(recombinant chromosome nearly isogenic lines, RCNILs)在第1染色體上對(duì)1個(gè)調(diào)控行粒數(shù)的QTL (KRN1.4)精細(xì)定位, 并找到了 1個(gè)調(diào)控玉米花序及行粒數(shù)發(fā)育的indeterminate spikelet1(ids1)基因。Liu 等[10]以H12×H12NX531組合的 F2群體, 在第 4染色體Unbranched3(UB3)基因的下游發(fā)現(xiàn)了一段約 3 kb的區(qū)間調(diào)控UB3的表達(dá)進(jìn)而調(diào)控玉米穗行數(shù)的變異。李雪華等[11]采用 meta-QTL (mQTL)分析, 干旱脅迫條件下在玉米第6染色體的Bin 6.05-6.06處檢測(cè)到1個(gè)調(diào)控10株穗數(shù)的mQTL, 并發(fā)現(xiàn)此區(qū)間存在1個(gè)參與滲透調(diào)節(jié)的pmg1(phosphoglycerate mutase1)基因。通過整合比較以往研究結(jié)果不難發(fā)現(xiàn),雖然這些QTL解析了不同水旱環(huán)境下穗部性狀的部分遺傳特征并成功克隆到一些功能基因, 但仍不足以全面剖析不同水分環(huán)境下玉米穗部性狀的遺傳機(jī)制和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。因此, 在更為豐富的遺傳背景及水旱環(huán)境下檢測(cè)更多調(diào)控玉米穗部性狀的 QTL,并分析QTL與環(huán)境互作(QTL by environment interaction, QTL×E)及上位性互作位點(diǎn), 可為深入剖析干旱脅迫下玉米穗部性狀的遺傳機(jī)制、相應(yīng)候選基因的確定與分離、開展抗旱高產(chǎn)分子育種提供更多有益參考。本研究構(gòu)建了2套F2：3群體, 在多種干旱脅迫和正常供水環(huán)境下對(duì)單穗重、穗軸重、穗粒重、百粒重、出籽率、穗長(zhǎng)6個(gè)穗部性狀進(jìn)行QTL定位,并分析QTL×E及上位性互作位點(diǎn), 以期全面剖析其遺傳機(jī)制, 為玉米抗旱高產(chǎn)分子育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參照課題組前期的試驗(yàn)結(jié)果[12-15], 以大穗型旱敏感玉米自交系 TS141為同一父本, 小穗型強(qiáng)抗旱自交系廊黃和昌7-2為母本, 組配雜交種廊黃×TS141 (F1LT)和昌7-2×TS141 (F1CT)。通過自交構(gòu)建2套F2作圖群體并自交衍生獲得 2套相應(yīng)的F2：3定位群體, 分別含202 (LTPOP)和218 (CTPOP)個(gè)家系。其中自交系TS141屬于Reid系, 廊黃和昌7-2屬于四平頭系[16-19]。

1.2 田間試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

2014年4月中旬將親本廊黃和TS141, 及其相應(yīng)的 F1雜交種(F1LT)和 F2：3群體(LTPOP)種植于甘肅武威(37.97°N, 102.63°E, 海拔 1508 m)和甘肅張掖(38.83°N, 106.93°E, 海拔 1536 m)。2015 年 4 月中旬將親本昌7-2和TS141, 及其相應(yīng)的F1雜交種(F1CT)和 F2：3群體(CTPOP)種植于甘肅古浪(37.67°N,102.63°E, 海 拔 1785 m)和 甘 肅 景 泰 (37.18°N,104.03°E, 海拔 1640 m)。在 4 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(武威、張掖、古浪和景泰)均設(shè)置干旱脅迫(玉米大喇叭口前期至花期結(jié)束不供水, 其他生育時(shí)期每隔20 d供水一次)和正常供水(玉米全生育期內(nèi)只要降水不足時(shí)就及時(shí)補(bǔ)水)處理[2], 對(duì)每一處理均采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 3次重復(fù), 單行區(qū), 行長(zhǎng)6 m, 株距30 cm, 行距60 cm, 每行20株, 種植密度為55,580株 hm-2。4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)玉米生育期內(nèi)氣象數(shù)據(jù)見圖1, 由于4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)年蒸發(fā)量較大而降水較低, 為了便于供水, 因此, 采用平膜覆蓋地表及滴灌供水, 其他管理同一般大田。

圖1 4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(武威、張掖、古浪和景泰)氣象數(shù)據(jù)Fig. 1 Meteorological data in four experimental sites (Wuwei, Zhangye, Gulang, and Jingtai)

參考石云素等[20]制定的《玉米種質(zhì)資源描述規(guī)范與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》, 在玉米成熟期(9月底)從每行選擇長(zhǎng)勢(shì)整齊一致的親本、F1雜交種及F2：3家系各10株考察單穗重(ear weight, EW)、穗軸重(cob weight,CW)、穗粒重(grain weight per ear, GW)、百粒重(100-kernel weight, KW)、出籽率(kernel ratio, KR；KR=穗粒重/單穗重×100%[12])和穗長(zhǎng)(ear length,EL)。參照 Zhao等[19]的方法, 計(jì)算每一穗部性狀在干旱脅迫環(huán)境下的變化率(rate of change of each trait under water-stressed environment, RC)。

式中,TS表示干旱脅迫環(huán)境下相應(yīng)性狀的測(cè)定值,TW表示正常供水環(huán)境下相應(yīng)性狀的測(cè)定值。采用IBM SPSS19.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)軟件中GLM-Univariate模型對(duì) 2套 F2：3群體 6個(gè)穗部性狀進(jìn)行方差分析, 并分析其Pearson表型相關(guān)系數(shù)(rp)。參照 Zhao等[18]的方法估算相應(yīng)穗部性狀間的遺傳相關(guān)系數(shù)(rg), 即：式中, COVgxy表示x與y性狀間的協(xié)方差,和分別表示x和y性狀的遺傳方差。參照 Knapp等[21]的方法估算相應(yīng)穗部性狀的廣義遺傳力(broadsense heritability,H2)。

F1雜種優(yōu)勢(shì)指數(shù)(F1heterosis index) HI = F1/MP× 100%

相對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)(relative heterosis) RH = (F1-MP)/F1× 100%

中親優(yōu)勢(shì)(mid-parent heterosis) MH = (F1- MP)/MP × 100%

超親優(yōu)勢(shì)(over-parent heterosis) OH = (F1- PH)/PH× 100%

F2：3優(yōu)勢(shì)降低率(F2：3advantage reduction rate)ARR = (F2：3- F1)/F1× 100%

式中, MP為雙親平均值, PH為高值親本。

1.3 穗部性狀QTLs檢測(cè)

本課題組前期已經(jīng)構(gòu)建了2套相應(yīng)F2群體的遺傳連鎖圖譜[18-19]。采用Windows QTLs Cartographer 2.5 軟件(http：//ststgen.ncsu.edu/qtlcart/WQTLcart.htm)的復(fù)合區(qū)間作圖法(composite interval mapping, CIM)對(duì)單個(gè)水分環(huán)境下的穗部性狀進(jìn)行QTL定位。通過1000次隨機(jī)抽樣確定LOD (LOD ＞ 3.0)閾值[22]。參照 Stuber等[23]的方法估算基因的作用方式, |d/a| =|顯性效應(yīng)值/加性效應(yīng)值|； A (加性效應(yīng))的|d/a| = 0～0.20； PD (部分顯性)的|d/a| = 0.21～0.80； D (顯性效應(yīng))的|d/a| = 0.81～1.20； OD (超顯性效應(yīng))的|d/a| ＞ 1.20。參照McCouch等[24]的方法命名QTL。

采用 QTL Network 2.0 軟件(http：//ibi.zju.edu.cn/software/qtlnetwork/)的基于混合線性模型的復(fù)合區(qū)間作圖法(mixed linear model based on composite interval mapping, MCIM)聯(lián)合多個(gè)水分環(huán)境進(jìn)行聯(lián)合QTL定位, 并分析QTL×E及QTL上位性互作效應(yīng)。設(shè)窗口大小為10 cM, Permutation次數(shù)為1000次, 用F值(P＜ 0.05)表示 QTL 的顯著性[25]。若 QTL中間插入字母“J”表示該 QTL只在聯(lián)合分析時(shí)出現(xiàn),而在單環(huán)境檢測(cè)下未出現(xiàn)。根據(jù)Tuberosa等[26]的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)穩(wěn)定表達(dá)的sQTL (stable QTL), 即在不同群體或環(huán)境間檢測(cè)到同一性狀的 QTL, 標(biāo)記區(qū)間相同或置信區(qū)間(confidence interval, CI)重疊(距離＜ 20 cM), 則被認(rèn)定為一個(gè)sQTL。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分環(huán)境下2套F2：3群體穗部性狀的表型鑒定

同一水分環(huán)境下, 6個(gè)穗部性狀在雙親間差異較大(表1), 說明親本TS141與廊黃或昌7-2間存在豐富的穗部性狀遺傳變異可對(duì)其雜交后代群體進(jìn)行數(shù)量性狀遺傳分析。與4種正常供水環(huán)境(E1、E3、E5、E7)相比, 4種干旱脅迫環(huán)境(E2、E4、E6、E8)下 3個(gè)親本(廊黃、昌7-2、TS141)、2個(gè)F1雜交種(F1LT、F1CT)和 2 套 F2：3群體(LTPOP、CTPOP)的 6 個(gè)穗部性狀均顯著降低(表 1), 其平均降低程度(RC)為穗軸重(17.0%)＞ 百 粒 重 (13.0%)＞ 穗 長(zhǎng) (12.1%)＞ 穗 粒 重(9.9%)＞單穗重(9.6%)＞出籽率(3.9%)(圖 2), 表明干旱脅迫能夠顯著抑制玉米產(chǎn)量因子, 導(dǎo)致玉米嚴(yán)重減產(chǎn)。此外, 8種不同水分環(huán)境下, 2套F2：3群體6個(gè)穗部性狀的峰度和偏度均基本介于-1.0～1.0間(表1),呈典型的數(shù)量遺傳特性, 適合對(duì)其進(jìn)行QTL分析。

表1 8種水分環(huán)境下F2：3群體(LTPOP/CTPOP) 6個(gè)穗部性狀的表型值Table 1 Phenotypic value of six ear related traits in F2：3 population (LTPOP/CTPOP) under eight watering environments

(續(xù)表 1)

2個(gè) F1雜交種(F1LT、F1CT)與其親本相比, 除出籽率的正向超親優(yōu)勢(shì)(0.9%)表現(xiàn)不明顯外, 其余 5個(gè)穗部性狀均顯著大于高值親本, 表現(xiàn)為明顯的正向超親優(yōu)勢(shì), 其平均超親優(yōu)勢(shì)介于 117.8% (穗粒重)～35.8% (穗軸重)(圖 2)； 此外, 6 個(gè)穗部性狀的 F1雜種優(yōu)勢(shì)指數(shù)、相對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)、中親優(yōu)勢(shì)及 F2：3優(yōu)勢(shì)降低率均一致表現(xiàn)為穗粒重(256.3%、59.7%、156.3%和-34.6%)＞單穗重(236.3%、55.8%、136.3%和-33.9%)＞穗軸重(196.1%、47.5%、96.1%和-26.9%)＞穗長(zhǎng)(185.2%、45.5%、85.2%和-26.3%)＞百粒重(176.7%、42.0%、76.7%和-25.4%)＞ 出籽率(105.2%、5.5%、5.8%和-2.8%)(圖 2), 說明玉米 F1雜交種 6個(gè)穗部性狀的雜種優(yōu)勢(shì)大小不一, 且自交后出現(xiàn)不同程度的雜種優(yōu)勢(shì)衰退現(xiàn)象。

聯(lián)合方差分析表明, 構(gòu)建的2套F2：3群體6個(gè)穗部性狀在基因型間、環(huán)境間、基因型與環(huán)境互作間均達(dá)到P＜ 0.01或P＜ 0.05差異顯著水平(表2), 說明玉米的6個(gè)穗部性狀除顯著受自身的遺傳調(diào)控外,還顯著受水分環(huán)境及其互作間的影響。且多種水分環(huán)境下 6個(gè)穗部性狀的廣義遺傳力均較高, 介于77.03%～90.95% (表2), 表明玉米的6個(gè)穗部性狀受遺傳本質(zhì)的影響較大。

玉米 6個(gè)穗部性狀表型和遺傳相關(guān)分析表明,在不同水分環(huán)境下, 玉米的單穗重與穗軸重、穗粒重及穗長(zhǎng)間極顯著(P＜ 0.01)正向表型/遺傳相關(guān), 與出籽率間極顯著負(fù)向表型/遺傳相關(guān)； 穗軸重與穗長(zhǎng)間極顯著正向表型/遺傳相關(guān), 與穗粒重、百粒重及出籽率間極顯著負(fù)向表型/遺傳相關(guān)； 穗粒重與百粒重、出籽率及穗長(zhǎng)間極顯著正向表型/遺傳相關(guān)； 百粒重與出籽率間極顯著正向表型/遺傳相關(guān), 與穗長(zhǎng)間極顯著負(fù)向表型/遺傳相關(guān)； 出籽率與穗長(zhǎng)間極顯著正向表型/遺傳相關(guān)(表 3), 說明不同水旱環(huán)境下玉米的各個(gè)穗部性狀彼此高度遺傳和表型關(guān)聯(lián), 并在不同水分環(huán)境影響下協(xié)同作用, 最終形成玉米產(chǎn)量。

圖2 6個(gè)穗部性狀RC和雜種優(yōu)勢(shì)分析Fig. 2 RC (rate of change for each trait under water-stressed environment) and heterosis analysis of six ear related traits縮寫見表1。Abbreviations correspond with these given in Table 1.

2.2 單水分環(huán)境下2套F2：3群體穗部性狀的QTL分析

采用CIM法, 2套F2：3群體8種水旱環(huán)境下總共檢測(cè)到62個(gè)穗部性狀QTL, 分布于玉米的10個(gè)連鎖群中, 單環(huán)境下單個(gè) QTL的表型貢獻(xiàn)率介于4.00% (LTPOP在 E1環(huán)境下的qCW-Ch.4-1)～15.65%(LTPOP在E2環(huán)境下的qEW-Ch.1-2)(圖3)。其中有關(guān)單穗重的13個(gè)QTL, 44.4%、22.2%、7.4%和26.0%的單穗重分別受加性(A)、部分顯性(PD)、顯性(D)和超顯性(OD)等遺傳效應(yīng)調(diào)控； 有關(guān)穗軸重的11個(gè)QTL, 55.2%、17.2%和27.6%的穗軸重分別受A、PD和 D 等遺傳效應(yīng)調(diào)控； 有關(guān)穗粒重的 13個(gè) QTL,25.0%、35.7%、17.9%和21.4%的穗粒重分別受A、PD、D和OD等遺傳效應(yīng)調(diào)控； 有關(guān)百粒重的7個(gè)QTL, 35.3%、47.1%和17.6%的百粒重分別受A、PD和 OD等遺傳效應(yīng)調(diào)控； 有關(guān)出籽率的 9個(gè) QTL,66.7%、19.0%和14.3%的出籽率分別受A、PD和D等遺傳效應(yīng)調(diào)控； 有關(guān)穗長(zhǎng)的 9個(gè) QTL, 50.0%、35.0%和15.0%的穗長(zhǎng)分別受PD、D和OD等遺傳效應(yīng)調(diào)控。

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干旱脅迫環(huán)境下 2套 F2：3群體間總共檢測(cè)到 38個(gè)(占 61.3%)穗部性狀 QTL (圖 3), 說明干旱脅迫能夠激活部分玉米穗部性狀QTL/基因的表達(dá)。2套F2：3群體在多個(gè)干旱脅迫環(huán)境下總共檢測(cè)到10個(gè)穩(wěn)定表達(dá)的 sQTL (圖 3), 即 umc2224-bnlg1484 (Bin 1.01-1.03)、bnlg1484-umc1917 (Bin 1.03-1.04)、bmc1627/umc1356-umc1278 (Bin 1.07)、bnlg1018-bnlg1909/bnlg1613 (Bin 2.04)處分別調(diào)控穗軸重、出籽率、穗長(zhǎng)等的 4 個(gè) sQTL； 及 umc2025-umc1395 (Bin 1.05)、bnlg1025-mmc0041 (Bin 1.07-1.08)、umc2041-umc2188(Bin 4.08)、umc2216-umc1072 (Bin 5.06-5.07)、umc2040-bnlg1174a (Bin 6.05)、umc1120-umc2346(Bin 9.04-9.06)處同時(shí)調(diào)控多個(gè)穗部性狀的6個(gè)“一因多效”sQTL, 說明玉米的這些Bin區(qū)域6個(gè)穗部性狀在不同環(huán)境下普遍呈緊密連鎖遺傳。

2.3 不同水分環(huán)境下2套F2：3群體穗部性狀的聯(lián)合QTL及QTL×E分析

采用MCIM法, 2套F2：3群體在8種水旱環(huán)境下進(jìn)行了QTL聯(lián)合分析, 總共檢測(cè)到54個(gè)穗部性狀聯(lián)合QTL, 單個(gè)聯(lián)合QTL的加性效應(yīng)表型貢獻(xiàn)率(h2A)介于 2.79% (LTPOP的qGW-Ch.8-1)～12.95% (LTPOP的qEW-J10-1), 其中 25個(gè)(46.3%)聯(lián)合 QTL僅在聯(lián)合分析中被檢測(cè)到(圖3和表4)。

此外, 24個(gè)(44.4%)聯(lián)合 QTL 參與了 QTL×E (P＜0.05), 主要分布于第 1、第 2、第 5、第 8和第 10染色體上, 單個(gè)QTL×E的加性與環(huán)境互作表型貢獻(xiàn)率(h2AE)介于 1.24% (LTPOP的qGW-Ch.8-1)～7.11%(CTPOP的qEW-J10-1)(表 4)。2 套 F2：3群體間總共檢測(cè)到 6個(gè)穩(wěn)定表達(dá)的 QTL×E (表 4), 分別位于umc2224-bnlg1484 (Bin 1.01-1.03)、phi308707-umc1847 (Bin 1.10)/mmc0041-phi308707 (Bin 1.08-1.10)/bnlg1025-mmc0041 (Bin 1.07-1.08)、bnlg1520-umc1736 (Bin 2.09)、bnlg1863-umc2075 (Bin 8.03)、umc2356-umc1607 (Bin 8.06-8.07)和umc1319-bnlg 1451 (Bin 10.01)處。

表4 多環(huán)境下采用MCIM法對(duì)F2：3群體(LTPOP/CTPOP) 6個(gè)穗部性狀聯(lián)合QTL及QTL×E分析Table 4 Joint QTLs and QTL×E for six ear related traits detected in F2：3 population (LTPOP/CTPOP) across multiple environments with MCIM

(續(xù)表 4)

2.4 不同水分環(huán)境下 2套 F2：3群體穗部性狀的QTL間上位性效應(yīng)分析

不同水分環(huán)境下2套F2：3群體穗部性狀QTL間的上位性互作效應(yīng)分析中總共檢測(cè)到 17對(duì)加性與加性/顯性上位性(AA/AD) QTL (P＜ 0.05)(表 5)。其中單穗重間檢測(cè)到2對(duì)AD互作, 分別位于Bin 2.09與Bin 4.08-4.09、Bin 1.07-1.08與Bin 6.04-6.05處,AD上位性互作表型貢獻(xiàn)率(h2AD)介于4.27%～6.92%；穗軸重間檢測(cè)到3對(duì)AA互作, 分別位于Bin 1.01-1.03與1.10、Bin 2.09與Bin 4.08、Bin 1.10-4.09處, AA上位性互作表型貢獻(xiàn)率(h2AA)介于 3.85%～5.14%間；穗粒重間檢測(cè)到1對(duì)AA和1對(duì)AD互作, 分別位于Bin 2.02-2.04與Bin 6.05、Bin 2.02-2.04與Bin 8.03處,h2AA和h2AD分別為 5.94%和 3.61%～4.93%； 百粒重間檢測(cè)到1對(duì)AD互作, 位于Bin 1.08-1.10與Bin 6.04處,h2AD為 4.40%～6.88%； 出籽率間檢測(cè)到 4對(duì)AA互作, 分別位于Bin 1.07-1.08與Bin 8.06-8.07、Bin 6.05與Bin 7.04、Bin 6.05與Bin 8.06-8.07處,h2AA介于2.24%～6.01%； 穗長(zhǎng)間檢測(cè)到1對(duì)AA互作, 位于Bin 1.08-1.10與Bin 4.08處,h2AA為4.96%。

3 討論

3.1 水分對(duì)玉米穗部性狀的影響及穗部性狀的育種應(yīng)用

在全球?qū)τ衩仔枨罅康某掷m(xù)剛性增加及水資源短缺不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)下, 通過遺傳改良提高玉米的抗旱性并最終增加產(chǎn)量已成為全球玉米生產(chǎn)亟待解決的問題之一。生殖生長(zhǎng)階段水分虧缺時(shí), 玉米的雌穗發(fā)育遲緩, 小花受精率降低, 籽粒結(jié)實(shí)率下降,空稈率增加, 籽粒發(fā)育受阻, 穗長(zhǎng)、單穗重、穗軸重、穗粒重、百粒重、穗粒數(shù)和產(chǎn)量等嚴(yán)重降低[2-3,14,27]。本研究也得到類似的研究結(jié)果, 即干旱脅迫后抗旱性差異較大的3份玉米親本自交系及其構(gòu)建的2個(gè)F1雜交種和 2套 F2：3群體的 6個(gè)穗部性狀均顯著降低, 其降低程度為穗軸重＞百粒重＞穗長(zhǎng)＞穗粒重＞單穗重＞出籽率, 表明穗軸重、百粒重和穗長(zhǎng)的下降是導(dǎo)致玉米產(chǎn)量降低的主要原因。Robinson等[28]研究表明, 玉米育種中通過間接選擇遺傳力較高的穗粗、穗長(zhǎng)、穗行數(shù)、百粒重等穗部性狀, 進(jìn)而培育出優(yōu)良品種的效率遠(yuǎn)高于對(duì)其產(chǎn)量的直接選擇。本研究表明, 8種不同水旱環(huán)境下2套F2：3群體6個(gè)穗部性狀受本身遺傳特性影響較大, 其廣義遺傳力為77.03%～90.95%。此外, 2個(gè)F1雜交種的單穗重、穗軸重、穗粒重、百粒重、穗長(zhǎng)呈明顯的正向超親優(yōu)勢(shì), 其值顯著大于高值親本, 而出籽率表現(xiàn)為較弱的正向超親優(yōu)勢(shì)； 且2個(gè)F1雜交種的F1雜種優(yōu)勢(shì)指數(shù)及相對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)與 F2：3群體的優(yōu)勢(shì)降低率表現(xiàn)一致, 均為穗粒重＞單穗重＞穗軸重＞穗長(zhǎng)＞百粒重＞出籽率, 這與李忠南等[29]、趙小強(qiáng)等[12]和 Zhao等[18]的研究結(jié)果一致。因此, 選擇優(yōu)良穗部性狀的玉米基因型時(shí)需要注重對(duì)其基礎(chǔ)材料的選擇, 同時(shí)注意對(duì)父本、中親和高親的選擇, 并兼顧雜種優(yōu)勢(shì)和雜種優(yōu)勢(shì)的衰退, 進(jìn)而提高育種選擇效率。

剖析不同水旱環(huán)境下玉米穗部性狀的遺傳機(jī)制,可為開展抗旱高產(chǎn)分子育種提供理論支持。本研究共檢測(cè)到62個(gè)穗部性狀QTL, 分布于玉米的10個(gè)連鎖群中。穗軸重和出籽率QTL主要受加性遺傳效應(yīng)調(diào)控, 其加性遺傳效應(yīng)分別占 55.2%和 66.7%, 單穗重、穗粒重和百粒重QTL主要受非加性遺傳效應(yīng)調(diào)控, 其非加性遺傳效應(yīng)分別占55.6%、75.0%和64.7%,而穗長(zhǎng)QTL受兩種遺傳效應(yīng)調(diào)控, 各占50.0%, 與前人[2-5,12]的研究結(jié)果一致。因此, 在不同水旱環(huán)境下改良玉米的穗軸重、出籽率和穗長(zhǎng)時(shí)應(yīng)注重對(duì)其加性效應(yīng)的累加, 同時(shí)還要考慮非加性效應(yīng)的影響, 而對(duì)單穗重、穗粒重和百粒重而言, 組配雜交種時(shí)應(yīng)特別注重雙親的相互作用及雜種優(yōu)勢(shì)的影響。

3.2 干旱脅迫下玉米穗部性狀QTL/sQTL的挖掘

本研究檢測(cè)到62個(gè)QTL, 在干旱脅迫環(huán)境下檢測(cè)到38個(gè)QTL。說明調(diào)控玉米穗部性狀的QTL在不同水旱環(huán)境下會(huì)發(fā)生改變, 有些在正常供水環(huán)境下表達(dá)的QTL在干旱脅迫環(huán)境下被抑制了, 而有些在正常供水環(huán)境下不表達(dá)的QTL在干旱脅迫環(huán)境的誘導(dǎo)下被激活了, 因此QTL/基因在不同水旱環(huán)境下的特異性表達(dá)直接導(dǎo)致了玉米穗部性狀表型上的差異。Tuberosa等[26]研究發(fā)現(xiàn)由于不同性狀間存在共同的遺傳機(jī)制, 導(dǎo)致“一因多效”或控制不同性狀的基因普遍緊密連鎖。本研究也在 Bin 1.05、Bin 1.07-1.08、Bin 4.08、Bin 5.06-5.07、Bin 6.05和Bin 9.04-9.06處檢測(cè)到多個(gè)“一因多效”穗部性狀 QTL,與表型及遺傳相關(guān)分析結(jié)果高度一致, 暗示玉米染色體的這些 Bin區(qū)域協(xié)同作用, 共同調(diào)控玉米穗部相關(guān)性狀的遺傳。此外, 作為典型的復(fù)雜數(shù)量遺傳性狀, 玉米穗部性狀的QTL定位因不同遺傳背景、生態(tài)環(huán)境或定位方法而不盡相同, 所以直接將這些QTL應(yīng)用于玉米育種實(shí)踐中尚存在一定難度。本研究總共檢測(cè)到 10個(gè)穩(wěn)定表達(dá)的 sQTL, 可為干旱脅迫環(huán)境下玉米穗部性狀遺傳機(jī)制闡述、QTL精細(xì)定位、基因克隆及抗旱分子育種提供有益參考。

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位于umc2224-bnlg1484 (Bin 1.01-1.03)處存在1個(gè)調(diào)控穗軸重的 sQTL, 位于 bnlg1484-umc1917(Bin 1.03-1.04)處存在1個(gè)調(diào)控出籽率的sQTL。趙小強(qiáng)等[12]利用2套F2群體也在此區(qū)間bnlg1484附近檢測(cè)到 1個(gè)同時(shí)調(diào)控單穗重、穗軸重和出籽率的sQTL。Messmer等[30]利用 1套 RILs群體還在 Bin 1.03和 Bin 1.04處定位到 2個(gè)調(diào)控玉米百粒重的QTL。此外, 采用 meta分析法, 于多個(gè)干旱脅迫環(huán)境下 Zhao等[2]在 Bin 1.02-1.03 (umc1166-bnlg439)處挖掘到1個(gè)同時(shí)調(diào)控單穗重、穗軸重、穗長(zhǎng)和產(chǎn)量的 meta-QTL(mQTL), 并在此區(qū)間檢測(cè)到glutamine synthetase 6(gln6)、heat shock protein 26(hsp26)和heat shock protein(hsp70) 3個(gè)候選基因,其中g(shù)ln6可以顯著提高植物的耐鹽性, 而hsp26和hsp70參與了植物的耐熱和抗旱性。李雪華等[11]也在Bin 1.03 (umc11a)處檢測(cè)到1個(gè)同時(shí)調(diào)控產(chǎn)量和10株穗數(shù)的 mQTL, 說明 Bin 1.03附近是調(diào)控玉米多個(gè)穗部性狀及產(chǎn)量的重要“一因多效”或富集位點(diǎn),在不同水分環(huán)境下通過協(xié)調(diào)調(diào)控單株穗數(shù)、單穗重、穗軸重、出籽率和穗長(zhǎng)等的發(fā)育, 影響玉米產(chǎn)量的形成。于umc2025-umc1395 (Bin 1.05)處存在1個(gè)同時(shí)調(diào)控單穗重、穗粒重和百粒重的 sQTL。馬金亮等[31]利用 1套 F2：3群體的多年表型鑒定, 在 Bin 1.05(umc1676-umc1703)處挖掘到 1個(gè)調(diào)控出籽率的sQTL, 暗示Bin 1.05處可能是調(diào)控玉米穗部性狀的重要富集區(qū)域, 可能包含調(diào)控玉米穗部性狀的重要功能基因。于bmc1627/umc1356-umc1278 (Bin 1.07)處存在 1個(gè)調(diào)控出籽率的 sQTL, 于 bnlg1025-mmc0041 (Bin 1.07-1.08)處存在1個(gè)同時(shí)調(diào)控單穗重、穗軸重、穗粒重和百粒重的sQTL。馬金亮等[31]在Bin1.07-1.08 (umc1122-bnlg643)處挖掘到1個(gè)調(diào)控出籽率的sQTL。張偉強(qiáng)等[32]在Bin 1.07 (umc2236)附近定位到 1個(gè)調(diào)控出籽率的主效 QTL。Li等[33]也在Bin 1.07-1.08 (bnlg1556-phi039)區(qū)間檢測(cè)到1個(gè)同時(shí)調(diào)控穗長(zhǎng)和行粒數(shù)的mQTL, Wang等[34]也在Bin 1.07處檢測(cè)到1個(gè)調(diào)控產(chǎn)量的mQTL, 印證了這一Bin區(qū)域是重要的玉米穗部性狀“一因多效”位點(diǎn)。于umc2041-umc2188 (Bin 4.08)處挖掘到1個(gè)同時(shí)調(diào)控單穗重、穗粒重、百粒重和穗長(zhǎng)的sQTL。多個(gè)水旱環(huán)境下Zhao等[2]在Bin 4.08 (umc2041-umc2287)處檢測(cè)到1個(gè)同時(shí)調(diào)控單穗重、穗軸重、百粒重和穗長(zhǎng)的sQTL, 進(jìn)一步分析在umc2287附近發(fā)掘到1個(gè)調(diào)控穗軸重的 mQTL, 并預(yù)測(cè)到 1個(gè)H+-ATPase基因。于umc2040-bnlg1174a (Bin 6.05)處檢測(cè)到1個(gè)同時(shí)調(diào)控穗粒重、百粒重、出籽率和穗長(zhǎng)的sQTL。趙小強(qiáng)等[12]在同一區(qū)間的 umc2040-bnlg1174處還檢測(cè)到1個(gè)調(diào)控雌穗個(gè)數(shù)的sQTL。利用meta分析法, Wang等[34]在Bin 6.05處也檢測(cè)到了2個(gè)同時(shí)調(diào)控雌穗個(gè)數(shù)、穗粒重和產(chǎn)量的mQTLs, 以及1個(gè)調(diào)控玉米雌雄穗發(fā)育的iguleless3(Ig3)基因。于umc1120-umc2346 (Bin 9.04-9.06)處存在 1個(gè)同時(shí)調(diào)控單穗重、穗軸重、穗粒重、百粒重和穗長(zhǎng)的sQTL。Zhao等[2]、趙小強(qiáng)等[12]和蘭進(jìn)好等[35]也在此區(qū)間內(nèi)同樣檢測(cè)到多個(gè)調(diào)控單穗重、穗軸重、穗長(zhǎng)、百粒重、穗行數(shù)和穗粒重的QTL。另外, 本研究還檢測(cè)到2個(gè)新的sQTL, 位于bnlg1018 (Bin 2.04)附近的調(diào)控穗長(zhǎng),位于umc2216-umc1072 (Bin 5.06-5.07)處的同時(shí)調(diào)控單穗重和穗粒重, 這2個(gè)Bin位點(diǎn)可為干旱脅迫環(huán)境下玉米穗部性狀遺傳基因剖析提供新信息。

3.3 玉米穗部性狀QTL×E效應(yīng)

Zhuang等[36]分析表明基因與環(huán)境互作是影響數(shù)量性狀的重要因素之一, 因此在不同環(huán)境下定位到的QTL結(jié)果不盡相同。本研究中也存在類似的研究結(jié)果, 但又與前人研究存在較大差異。如譚巍巍等[37]利用 2套 F2：3群體在多年多點(diǎn)的聯(lián)合分析中只檢測(cè)到8個(gè)穗部性狀(分別為 1、2和5個(gè)穗行數(shù)、穗長(zhǎng)和穗粒重) QTL×E (P＜ 0.05)位點(diǎn), 主要分布于第1、第6、第7、第 8和第 10染色體。本研究分析表明, 44.4%的 QTL參與了 QTL×E (P＜ 0.05), 主要分布于第1、第2、第 5、第8和第10染色體。另外, 部分 QTL×E位點(diǎn)能在多個(gè)環(huán)境中被檢測(cè)到,如位于Bin 1.01-1.03 (umc2224-bnlg1484)區(qū)間調(diào)控穗軸重的 QTL, 能在 LTPOP群體的 E1、E2、E3和E4等 4種環(huán)境下被檢測(cè)到, 又同時(shí)與 E2環(huán)境存在較強(qiáng)的互作關(guān)系, 還在 CTPOP群體的 E5、E6和 E8等3種環(huán)境下被檢測(cè)到, 又同時(shí)與E6和E8等環(huán)境存在較強(qiáng)的互作關(guān)系, 其平均主效h2A為8.35%, 明顯大于其平均h2AE的 6.35%。位于 bnlg1863-umc2075 (Bin 8.03)區(qū)間調(diào)控穗粒重的 QTL, 在LTPOP群體的E3和E4等兩種環(huán)境下被檢測(cè)到, 又同時(shí)與 E2和 E4等環(huán)境存在較強(qiáng)的互作關(guān)系, 還在CTPOP群體中與 E5和E6等環(huán)境存在較強(qiáng)的互作關(guān)系, 其平均主效h2A為5.00%, 遠(yuǎn)大于其平均h2AE的2.86%。這與譚巍巍等[37]的研究結(jié)果類似, 即2種環(huán)境下在第1染色體umc1009-umc1331區(qū)間定位到的qGW1-1-2, 又同時(shí)與 3種環(huán)境存在顯著的互作關(guān)系。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要體現(xiàn)在2個(gè)方面[38-39],一是可能QTL本身的表型貢獻(xiàn)率較大, 易在不同環(huán)境中被檢測(cè)到, 二是可能存在較強(qiáng)的 QTL×E, 顯著影響QTL在不同環(huán)境中的檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于這些既能在多環(huán)境下被檢測(cè)到又同時(shí)與環(huán)境存在顯著互作的QTL, 能否成為分子標(biāo)記輔助選擇或圖位克隆的候選染色體區(qū)段, 關(guān)鍵在于這些QTL×E是否有利。因此, 如何利用玉米穗部性狀的這些QTL×E將是今后研究的重點(diǎn)。

3.4 玉米穗部性狀QTL的上位性互作效應(yīng)

Hagiwara等[40]指出 QTL的上位性互作效應(yīng)是復(fù)雜數(shù)量性狀遺傳和雜種優(yōu)勢(shì)形成的重要遺傳基礎(chǔ)。常立國(guó)等[41]采用 178×K12構(gòu)建 1套 RILs群體檢測(cè)到15對(duì)調(diào)控出籽率的AA上位性QTL。譚巍巍等[37]利用掖 478×黃早 4和齊 319×黃早四構(gòu)建 2套F2：3群體檢測(cè)到 18對(duì)調(diào)控穗長(zhǎng)、穗粗、穗行數(shù)和穗粒重的AA、AD、DA、DD上位性QTL。本研究也同樣對(duì) 2套 F2：3群體的 6個(gè)穗部性狀在 8種不同水分環(huán)境下檢測(cè)到17對(duì)AA/AD上位性QTL。綜合分析這些研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), AA、AD、DA及DD上位性QTL在玉米穗部性狀中普遍存在, 也從一定程度上闡述了玉米穗部性狀基因位點(diǎn)間的內(nèi)在關(guān)系, 并在遺傳中可能與主效QTL發(fā)揮同等重要的作用。因此,今后應(yīng)在更為豐富的遺傳背景下有效地檢測(cè)和利用穗部性狀上位性 QTL, 為玉米穗部性狀分子遺傳機(jī)制剖析提供有益參考。

4 結(jié)論

干旱脅迫下玉米的 6個(gè)穗部性狀均顯著降, 降低程度為穗軸重＞百粒重＞穗長(zhǎng)＞穗粒重＞單穗重＞出籽率, 表明穗軸重、百粒重和穗長(zhǎng)的下降是導(dǎo)致玉米產(chǎn)量降低的主要原因； F1雜交種的單穗重、穗軸重、穗粒重、百粒重、穗長(zhǎng)呈明顯的正向超親優(yōu)勢(shì),而出籽率表現(xiàn)為較弱的正向超親優(yōu)勢(shì), 其雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為穗粒重＞單穗重＞穗軸重＞穗長(zhǎng)＞百粒重＞出籽率； 采用 CIM 法, 單環(huán)境下在 2套 F2：3群體間總共定位到62個(gè)穗部性狀QTL, 其中干旱脅迫環(huán)境下檢測(cè)到 38個(gè), 且在2套F2：3群體多個(gè)干旱脅迫環(huán)境下檢測(cè)到10個(gè)sQTL, 位于Bin 1.01-1.03、Bin 1.03-1.04、Bin 1.05、Bin 1.07、Bin 1.07-1.08、Bin 2.04、Bin 4.08、Bin 5.06-5.07、Bin 6.05和 Bin 9.04-9.06處, 將在一定程度上為干旱脅迫下玉米穗部性狀的改良提供參考； 采用 MCIM 法, 聯(lián)合分析中總共定位到54個(gè)穗部性狀聯(lián)合QTL, 其中24個(gè)表現(xiàn)顯著的QTL×E, 17對(duì)QTL參與了顯著的AA/AD上位性互作, 體現(xiàn)了穗部性狀遺傳基礎(chǔ)的復(fù)雜性。今后應(yīng)在更為豐富的遺傳背景及環(huán)境下深入研究穗部性狀的遺傳機(jī)制, 應(yīng)用于玉米分子育種。