章 爽,張秀英,劉斌斌,董 遠,李 婷,李 勤,薛吉全,徐淑兔,張興華

(1.西北旱區(qū)玉米生物學與遺傳育種重點實驗室,西北農林科技大學 農學院,陜西 楊凌 712100;2.陜西省漢中農業(yè)科學研究所,陜西 漢中 723000)

玉米是全球第一大糧食作物,提高玉米單產和總產不僅為中國糧食安全打下堅實基礎,也為中國經濟發(fā)展做出重要貢獻[1]。玉米出籽率、單穗質量、穗軸質量等性狀與產量有較強的相關性,作為典型的數(shù)量性狀,會因環(huán)境效應產生變化,且多個微效基因會對其產生影響[2]。穗部性狀如出籽率、單穗質量、穗軸質量等是玉米產量的主要構成因素,在玉米高產育種中占有重要地位。有研究表明單穗質量、穗粒質量和百粒質量與產量之間極顯著正相關,其中單穗質量對產量的直接效應最大,在玉米產量形成中占主導地位[3]。前人研究證實出籽率與單穗產量緊密聯(lián)系[4-7],趙延明等[8]認為玉米出籽率對單株籽粒產量影響大,因此玉米遺傳改良要重點選擇出籽率。綜上,研究玉米穗部相關性狀的遺傳分子機制對玉米高產育種具有重要意義。

近年來,隨著技術的發(fā)展,利用分子標記技術結合數(shù)量性狀統(tǒng)計模型發(fā)展而來的QTL 定位方法已經成為解析數(shù)量性狀分子機制的重要手段,且該方法研究挖掘的主效QTL 為后續(xù)相關數(shù)量性狀分子標記輔助育種提供參考,在遺傳育種改良實踐中發(fā)揮重要作用?，F(xiàn)有與玉米產量密切相關的穗部性狀QTL 定位主要集中在穗長、結實長、穗行數(shù)、穗粒數(shù)、穗粗和軸粗等方面[9-13]。作為玉米產量主要構成因子單穗質量和穗粒質量,以及玉米高產組合必須具備的高出籽率[14],這些性狀的QTL定位相對較少。因此在更為豐富的遺傳背景下,挖掘更多的控制玉米穗部性狀的QTL位點,有利于解析穗部性狀的遺傳機制,并為分子遺傳育種提供更多的優(yōu)異基因資源。

本研究以KA105 和KB020 為親本構建的201份重組自交系(RILs)群體為材料,在榆林和漢中兩環(huán)境中對玉米出籽率、單穗質量和單穗粒質量3個穗部性狀分別進行QTL 定位。研究旨在發(fā)現(xiàn)不同環(huán)境中可以穩(wěn)定遺傳的QTL,為解析玉米出籽率、單穗質量和單穗粒質量的遺傳基礎和后續(xù)分子標記輔助選擇育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以陜A、B 群優(yōu)良自交系KA105 和KB020為基礎材料,構建含201 個家系的重組自交系(RILs)群體。將親本、RILs群體于2019年分別種植于榆林(Yulin,YL)和漢中(Hanzhong,HZ)兩地。試驗采用完全隨機區(qū)組設計,單行區(qū),設置2次重復,行長5 m,行距0.6 m,株距22.2 cm。田間管理分別與榆林、漢中一致。

1.2 出籽率等性狀測定及數(shù)據(jù)分析

待玉米成熟后,收獲田間所有果穗進行風干,在每個家系中挑選大小均勻一致的5個果穗進行性狀測定。參照石云素[15]制定的標準,測定親本(KA105和KB020)及F5:6 代群體的單穗質量(EW)和單穗粒質量(KWE),并進一步計算出籽率:

出籽率=單穗粒質量/單穗質量×100%

采用SPSS25.0對F5:6代RILs群體以及親本的出籽率、單穗質量、單穗粒質量進行統(tǒng)計分析和方差分析。廣義遺傳力的計算公式為:

1.3 QTL分析

試驗中所用群體及其分子標記連鎖圖譜構建參考Yang等[17],將RILs群體中與親本KA105基因型一致的記為2,與親本KB020基因型一致的記為0,若QTL 分析中加性效應為正,說明該QTL增效等位基因來自于KA105,反之則來自于KB020。利用QTL ICIMapping V4.2軟件的完備區(qū)間作圖法(ICIM),分別對各環(huán)境的出籽率、單穗質量、單穗粒質量及其BLUP 值進行QTL 分析。PIN 設置為0.001,步長為1 c M,LOD 閾值以模擬運算1000次的方法來確定,當某個位置檢測到的LOD 值大于閾值時,即認為該位置存在一個控制該性狀的QTL。QTL 命名參考Mccoch等[18]的方法按照QTL、性狀、染色體、QTL個數(shù)依次命名。其中QTL以q開始,出籽率、單穗質量、單穗粒質量分別以英文縮寫KR、EW、KWE 表示。如果某個性狀同一條染色體有多個不同的QTL,則以“-1”“-2”和“-3”加在染色體后以示區(qū)分,其余以此類推。

2 結果與分析

2.1 出籽率、單穗質量和單穗粒質量基本統(tǒng)計分析

由雙親及RILs群體的穗部性狀分析可以看出(表1),F5:6群體的出籽率、單穗質量、單穗粒質量在榆林和漢中兩點均表現(xiàn)出超親分離,其中母本KA105在出籽率、單穗質量、單穗粒質量上屬于低值親本,父本KB020屬于高值親本。群體中單穗質量和單穗粒質量的變異系數(shù)在2個環(huán)境均超過了25.00%,說明不同家系在2個環(huán)境中均有豐富的表型變異。相對而言,出籽率的的表型變異相對較窄,變異系數(shù)小于4.00%。同時,3個性狀在2個環(huán)境中均表現(xiàn)出一定的超親現(xiàn)象,即最小值低于低值親本,最大值高于高值親本,說明雙親中含有不同的與目標性狀相關的有利等位基因數(shù)量。同時根據(jù)榆林和漢中兩個環(huán)境下出籽率、單穗質量、單穗粒質量表型值的偏度和峰度絕對值均小于1,符合正態(tài)分布(圖1),屬于數(shù)量遺傳性狀,可進行QTL定位。

圖1 玉米RILs群體及親本的出籽率、單穗質量、單穗粒質量正態(tài)分布Fig.1 Normal distribution plots of KR,EW and KWE of RILs population

表1 玉米RILs群體及其親本的出籽率相關性狀基本統(tǒng)計描述Table 1 Basic description of KR,EW and KWE of RILs population and its parents

2.2 遺傳率計算與相關分析

方差分析結果(表2)顯示,出籽率、單穗質量和單穗粒質量3個性狀在不同家系間均表現(xiàn)為極顯著差異(P＜0.01),單穗質量和單穗粒質量在榆林、漢中兩環(huán)境中的差異也達到極顯著,表明單穗質量、單穗粒質量同時受環(huán)境、基因型影響。相對而言,出籽率受環(huán)境影響小,基因型與環(huán)境對表型的影響也不顯著,即表明該性狀受基因型影響較大。通過遺傳力計算,出籽率、單穗質量和單穗粒質量的廣義遺傳力分別為82.82%、81.71%和81.15%。相關性分析表明(表3),同一環(huán)境下出籽率、單穗質量和單穗粒質量三者之間均達到極顯著正相關,不同環(huán)境下同一性狀均表現(xiàn)極顯著正相關,不同環(huán)境下不同性狀表現(xiàn)的相關性差異較大,榆林出籽率與漢中單穗質量、漢中單穗粒質量,漢中出籽率與榆林單穗質量、榆林單穗粒質量相關系數(shù)較低,小于0.3,其他各性狀之間均表現(xiàn)為極顯著正相關。

表2 玉米出籽率、單穗質量、單穗粒質量的方差分析Table 2 Variance analysis of KR,EW and KWE in maize RILs population

2.3 QTL定位分析

通過完備區(qū)間作圖法,以2個環(huán)境下出籽率、單穗質量、單穗粒質量的表型值以及各個性狀的BLUP值進行QTL 分析,共檢測到10個QTL,分別位于1號、2號、5號、6號、9號和10號染色體上,單個QTL可解釋5.92%～13.50%的表型變異(表4)。其中,1 號染色體的189.50～193.55 Mb和6號染色體的112.25～120.46 Mb區(qū)間在出籽率(q KR1,q KR6)、單穗質量(qEW1,qEW6)和單穗粒質量(q KWE1,q KWE6)中均被檢測到。其中qEW1在漢中、榆林和BLUP 中都檢測到,而位于6 號染色體的qEW6和q KWE6都 能 在 榆 林 和BLUP 中 檢 測到,其增效等位基因均來自于父本KB020。10個QTL中共有7個QTL 的加性效應為負值,增效等位基因來自父本KB020,其他均來自于母本KA105。

表4 RILs群體出籽率、單穗質量和單穗粒質量的QTL定位Table 4 Analysis of QTLs for KR,EW and KWE in RILs population of maize

2.3.1 出籽率QTL 定位 通過完備區(qū)間作圖法,利用榆林、漢中兩環(huán)境的出籽率性狀及其BLUP值共檢測到5個與出籽率有關的QTL,分布在1號、2號、5號、6號和9號染色體上,可解釋表型變異率為5.92%～13.49%。位于2號染色體的q KR2和位于6 號染色體的q KR6可解釋的表型變異率分別為10.40%和13.49%,可能是控制出籽率的主效QTL。除q KR2和q KR9加性效應為正值,增效等位基因來自于母本KA105外,其他3個QTL 增效等位基因均來自于父本KB020。

2.3.2 單穗質量QTL 定位 利用榆林、漢中兩環(huán)境的單穗質量性狀及其BLUP 值共檢測到2個單穗質量QTL,分布在1號和6號染色體上,解釋的表型變異率為7.85%～11.88%。其中,1號染色體上的qEW1在榆林、漢中和BLUP環(huán)境中均能檢測到。6號染色體上的qEW6能在榆林和BLUP兩個環(huán)境中檢測到。他們的加性效應為負值,增效等位基因均來自于父本KB020。2.3.3 單穗粒質量QTL 定位 利用榆林、漢中兩環(huán)境的單穗粒質量性狀及其BLUP 值共檢測到3個與單穗粒質量相關的QTL,分別位于1號、6號、10號染色體上,可解釋的表型變異率為7.56%～13.50%。在榆林和BLUP條件下共定位到q KWE6,可解釋的表型變異率分別為12.40%和13.50%,其加性效應為負值,增效等位基因來自父本KB020。

3 討論

本研究以自主選育的KA105和KB020構建的重組自交系群體為材料,針對產量重要構成因子出籽率、單穗質量和單穗粒質量為目標性狀,進行群體表型變異和QTL定位分析。結果顯示,該群體出籽率在兩個環(huán)境下的平均變異系數(shù)(2.25%)均小于單穗質量(17.40%)和單穗粒質量(18.35%),究其原因,出籽率是本課題組自交系選育的重要指標[19],雙親在出籽率性狀上差異不大,因此雙親構建的群體變異幅度也較小。但本研究仍能檢測到表型貢獻率較大的出籽率QTL(q KR2和q KR6),且效應分別來自KA105和KB020,說明按照統(tǒng)一標準進行自交系選育過程,雙親可以通過富集不同的有利等位基因表現(xiàn)出類似的優(yōu)勢表型。

本研究共檢測到出籽率、單穗質量和單穗粒質量相關QTL10個,不均勻的分布在1、2、5、6、9和10號染色體上;其中1號和6號染色體上檢測到較多的QTL,都有3個,其他染色體上均只檢測到1 個QTL。在1 號染色體上分布的3 個QTL 分別控制出籽率(q KR1)、單穗質量(qEW1)、單穗粒質量(q KWE1),且這3個QTL在同一區(qū)間,可認為該QTL 同時調控3 個不同性狀;6號染色體上的3個QTL也是在同一個區(qū)間內,它們分別控制出籽率(q KR6)、單穗質量(qEW6)、單穗粒質量(q KWE6)3 個性狀,也是一個一因多效的QTL。蘭進好等[20]認為,QTL成簇分布或毗鄰分布遺傳基礎可能是基因的一因多效或是不同基因的緊密連鎖。本研究發(fā)現(xiàn)1號和6號染色體上都檢測到一個多效位點,同時調控出籽率、單穗質量和單穗粒質量。代國麗等[21]認為QTL區(qū)域的連鎖表現(xiàn)在性狀上必然是一定程度的相關,而出籽率是單穗粒質量與單穗質量的比值,單穗粒質量是單穗質量與單穗軸質量的差值,本研究相關性分析表明出籽率、單穗質量與單穗粒質量兩兩之間極顯著正相關,因此出籽率、單穗質量和單穗粒質量能檢測到較多共定位到QTL。

Zhuang等[22]認為基因與環(huán)境互作很大程度上影響數(shù)量性狀,因此相同的作圖群體在不同環(huán)境中檢測到的QTL 會有不一致,甚至有較大差異。從本研究的定位結果也可以看出,有且僅有qEW1能在2個單獨的環(huán)境和BLUP值中能被檢測到,是穩(wěn)定QTL,可開展進一步研究。同時,位于6號染色體的qEW6和q KWE6能同時在榆林和BLUP中定位到,其余QTL 均為單環(huán)境下能檢測到QTL。通過與前人報道的QTL定位結果進行比較分析發(fā)現(xiàn),出籽率QTLq KR1和q KR9與常立國等[23]定位到的q KR1-2和q KR9-2分別位于同一bin 上,q KR6與趙小強等[24]定位的q KR-Ch.6-1位于相同bin區(qū)間;單穗質量qEW6與馬金亮[2]定位到的qEW6-2位于相同的bin區(qū)間;單穗粒質量q KWE1與馬金亮[2]定位的穗粒質量q KWE1-3處于相同bin區(qū)間,q KWE10也與馬娟等[25]定位的MQTL34處于相同bin。本研究在bin1.07 和bin6.05 上定位的同時調控出籽率、單穗質量和單穗粒質量性狀的QTL與馬金亮[2]和趙小強等[24]定位的結果一致,同時影響多個性狀。綜上所述,本研究檢測到的QTL中有6個QTL 位點在前人研究的同一性狀中已被檢測到,可開展進一步的精細定位工作,挖掘功能基因。同時另外2個出籽率QTL(q KR2,q KR5),1個單穗質量QTL(qEW1),1個單穗粒質量QTL(q KWE6)為本研究新檢測到的QTL,因此對這些新發(fā)現(xiàn)的QTL 附近是否存在控制穗部性狀的基因可做進一步研究。

4 結論

本研究利用201份玉米重組自交系在兩個環(huán)境中的表型值對玉米穗部性狀出籽率、單穗質量和單穗粒質量以及兩個環(huán)境的BLUP 值進行QTL定位,結果共檢測到10個出籽率相關性狀QTL,其中出籽率檢測到5個QTL,單穗質量檢測到2個QTL,單穗粒質量檢測到3個QTL,有4個QTL解釋的表型變異率大于10.00%。2個多效位點(q KR1,qEW1和q KWE1;q KR6,qEW6和q KWE6)都能控制出籽率、單穗質量和單穗粒質量,其中位于6號染色體的QTL在3個性狀中均能解釋大于10.00%的表型變異,可作為下一步研究的重點關注區(qū)域。