陳占輝,孫 強,任姣姣,黃博文,許加波,楊 杰,吳鵬昊

(1.新疆農業(yè)大學農學院,烏魯木齊 830052;2 新疆農業(yè)科學院糧食作物研究所 ,烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】理想株型可以提高玉米種植密度和光合效率,是玉米高產的主要因素[1]。葉寬是玉米株型的主要性狀之一,對其進行遺傳分析,對選育高產耐密玉米品種具有重要意義[2]?！厩叭搜芯窟M展】Ku等[3]用玉米自交系Yu82和Shen137組配了含有229個家系的F2∶ 3群體,在第1、4、7和8號染色體上,共檢測到5個與葉寬相關的QTL,可以解釋34.13%的表型變異。唐登國[4]用208個分子標記在B73和1212組配的325個重組自交系群體對葉片性狀進行QTL定位,結果顯示控制葉寬的QTL大多在4、5、6和8號染色體上。張瑩瑩等[5]以鄭58和D863F構建RIL群體,在5號和8號染色體上,定位到5個穗位葉寬QTL,單個QTL表型貢獻率8.35%～12.34%。張曠野[6]利用自交系掖478和齊319組配RIL群體,結合152個SSR標記,對多環(huán)境下玉米穗位葉寬進行QTL定位,發(fā)現20個QTL位點,其中有7個主效QTL。王會濤等[7]以豫82和豫87-1為材料構建RIL群體,共檢測到7個與玉米穗位葉寬相關的QTL,分布在第1、2、3、6、8和10號染色體上。全基因組選擇(genomic selection, GS)是利用訓練群體的基因型和表型數據建模的一種育種手段,對只有基因型的育種群體進行表型預測和選擇。常規(guī)育種基于性狀表型值,通過BLUP估算育種值(EBVs),而GS則通過全基因組中單個標記效應值的累加,獲得基因組估計育種值(GEBV)[8]。Bernardo[9]使用外國玉米與本地玉米雜交,組配多種群體進行全基因組選擇,結果表明全基因組選擇應該從F2群體開始較為合適。Zhao等[10]使用6個家系的雙親后代群體進行測交獲得表型值,結合SNP標記進行全基因組選擇,發(fā)現SNP標記數量從100開始逐漸上升后,預測精度也逐漸上升,標記數量達到800個SNP后預測精度達到穩(wěn)定水平。【本研究切入點】雖然目前已經定位到了控制玉米葉寬的QTL。但由于作圖群體、種植環(huán)境、遺傳標記不同,檢測到的QTL一致性較差,所以挖掘在多環(huán)境下穩(wěn)定存在的QTL對分子標記輔助選擇育種有重要意義[11-12]?！緮M解決的關鍵問題】以鄭58和B73為親本構建F2∶ 3作圖群體,在多環(huán)境下表型測量玉米穗位葉寬,采用液相48K探針捕獲技術進行基因型檢測,對玉米葉寬表型進行QTL定位,獲得控制葉寬的主效QTL位點,并對玉米葉寬性狀進行全基因組選擇,分析標記數目、訓練群體的大小對全基因組選擇預測精度的影響,研究雙親群體全基因組選擇的規(guī)律,為玉米葉寬的全基因選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

玉米自交系B73和鄭58于2018年冬季在海南省樂東黎族自治縣實驗站種植并雜交獲得F1,2019年夏季將F1種植于新疆昌吉市九圣禾實驗站,并自交獲得F2,2019年冬季將F2在海南省樂東黎族自治縣實驗站(以下簡稱海南實驗站)種植自交獲得200個F2∶ 3家系。將F2∶ 3家系于2020年夏季種植于新疆昌吉市九圣禾實驗站(以下簡稱九圣禾實驗站)和新疆烏魯木齊市三坪實驗站(以下簡稱三坪實驗站),2020年冬季種植在海南省樂東黎族自治縣實驗站。每個地點設置2個重復,采用完全隨機區(qū)組試驗設計,行長3 m,株距0.25 m,行距0.67 m,單行區(qū)種植,田間管理同大田生產。在F2∶ 3群體玉米灌漿時期從每個小區(qū)的第5株開始連續(xù)選取5株長勢均衡的單株調查,用直尺測量穗位葉的最寬處。

1.2 方 法

1.2.1 表型數據

利用META-R軟件(http://hdl.handle.net/11529/10201)對3個環(huán)境下的穗位葉寬表型數據進行分析,獲得最佳線性無偏估計值(Best Linear Unbiased Prediction BLUP),用于QTL定位和全基因組選擇分析。利用QTL IciMapping軟件AOV(ANOVA OF multi-environmental trials)功能進行方差分析,計算遺傳力[13]:

H2=VG/(VG+VGE/e+Vε/re).

式中,H2代表廣義遺傳力,VG代表基因型方差,VGE代表基因環(huán)境相互作用方差,Vε代表誤差方差,e代表環(huán)境,r代表重復。

1.2.2 基因分型和連鎖圖譜構建

在苗期對親本和F2群體葉片取樣,送至中玉金標記(北京)生物技術股份有限公司,采用液相48K探針捕獲技術檢測基因型。使用Trimmomatic 0.36軟件過濾原始基因型數據,獲得高質量測序數據,利用BWA軟件比對到B73_RefGen_v4_genomic參考基因組。通過GATK和vcftools軟件過濾數據,過濾參數參考李宗澤[14],獲得62 504個SNP標記用于全基因組選擇。對標記多態(tài)性、標記偏分離進行過濾后,剩余25 610個SNP標記,采用滑動窗口法構建Bin標記,方法參考孫強[15],共獲得1 775個標記,用于遺傳圖譜的構建和QTL定位。

將SNP標記根據物理位置進行排序后導入QTL IciMapping軟件,選擇MAP功能進行連鎖群的劃分及遺傳距離的確定,最終獲得總長度為876.73 cM,相鄰標記間的距離為0.49 cM的連鎖圖譜。

1.2.3 QTL定位

采用META-R軟件獲得的BLUP值作為表型值,使用QTL IciMapping 4.2軟件的BIP功能對三個環(huán)境下及聯合BLUP的穗位葉寬性狀進行QTL定位,定位方法采用復合區(qū)間作圖加性模型(ICIM-ADD)。分子標記之間每隔0.5 cM進行一次全基因組掃描,窗口的設定為5 cM,將LOD值設定為2.5。以該位點的顯性效應與加性效應比值的絕對值作為顯性度,對QTL位點的遺傳作用方式進行分類。顯性度在(0～0.20)區(qū)間則為加性(A);顯性度在(0.21～0.80)區(qū)間則為部分顯性(PD);顯性度在(0.81～1.20)則為顯性(D);當顯性度大于1.20是表示超顯性(OD)[16]。

1.2.4 全基因組選擇

根據液相48K探針捕獲技術獲得的62 504個SNP標記作為基因組,多環(huán)境的BLUP值作為表型值,使用R軟件RR-BLUP包對穗位葉寬性狀進行全基因組選擇分析。采用k=5的K-fold交叉驗證進行比較,隨機選取群體的20%作為預測群體,剩下的80%作為訓練群體,進行全基因組選擇,全基因組選擇預測精度通過預測群體的真實育種值與全基因組估計育種值間的相關系數計算,重復100次。

SNP標記個數設定為10、30、50、100、300、500、1 000、3 000、5 000、10 000和50 000個,采用五折交叉驗證方法,每個標記密度進行100次全基因組選擇,研究標記數目對全基因組選擇預測精度的影響。訓練群體大小設定為總群體的10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%,剩余群體為預測群體,采用全部62 504個SNP標記,每個訓練群體大小進行100次全基因組選擇。

2 結果與分析

2.1 玉米葉寬表型數據

研究表明,B73葉寬的均值為9.04 cm,最小值為7.82 cm,最大值為10.32 cm;鄭58葉寬的均值為8.02 cm,最小值為6.97 cm,最大值為8.89 cm。鄭58葉寬比B73葉寬窄,存在極顯著差異,組配的F2∶ 3家系可以用于玉米葉寬的遺傳解析。海南實驗站、九圣禾實驗站、三坪實驗站及3個環(huán)境聯合葉寬平均值分別為8.68、8.04、7.24和8.00 cm。3個地點玉米葉寬都表現出了廣泛的變異,其中九圣禾實驗站的變異幅度最大,變幅為1.76,標準差為0.31;海南實驗站的變異幅度最小,變幅為0.27,標準差為0.06。葉寬在3個環(huán)境下的偏度和峰度的絕對值均小于1,F2∶ 3家系的葉寬符合正態(tài)分布。圖1,表1

圖1 親本葉寬箱形圖

2.2 玉米葉寬方差

研究表明,環(huán)境、基因型和環(huán)境與基因型互作各個組分的P值均小于0.01,環(huán)境、基因型和環(huán)境與基因型互作對玉米葉寬表型均有極顯著影響。葉寬的遺傳力為0.39,遺傳力較低。表2

表1 親本和F2∶ 3家系葉寬的描述性統(tǒng)計

2.3 玉米葉寬QTL定位

研究表明,共檢測到12個控制穗位葉寬的QTL位點,在第1、3、4、5、8和10號染色體上均有分布。在海南環(huán)境中定位到4個QTL,分別位于第1、3、5和8號染色體,表型貢獻率為4.41%～16.17%。其中位于5號染色體的qew5-1表型貢獻率為16.17%,是主效QTL位點。三坪環(huán)境中定位到2個QTLqew1-2和qew4-1,分別在第1和4號染色體上,分別解釋表型變異為5.88%和10.63%。在九圣禾環(huán)境中定位到1個QTLqew8-2,位于第8號染色體上,表型貢獻率為6.28%。定位到5個QTL,分布在第1、3、4、5和10號染色體上,單個QTL表型貢獻率為3.75%～13.18%。其中在海南檢測到的qew1-1和聯合分析檢測到的qew1-3是同一個位點,位于bin 1.06,LOD值分別為2.73和4.02,表型貢獻率分別為5.04%和5.47%。在海南檢測到的bin 5.01的qew5-1和聯合分析檢測到的qew5-2是同一個位點,位于bin 5.01,LOD值分別為8.06和9.08,表型貢獻率分別為16.17%和13.18%,是控制葉寬的主效QTL位點。qew1-1(qew1-3)和qew5-1(qew5-2)是多環(huán)境穩(wěn)定存在的控制葉寬的QTL。

有7個位點qew3-1、qew5-1、qew1-2、qew1-3、qew3-2、qew5-2和qew10-1呈現加性效應,有兩個位點qew1-1和qew4-3表現為部分顯性,有一個位點qew4-1表現為完全顯性,有兩個位點qew8-1和qew8-2表現為超顯性。玉米穗位葉寬的作用方式以加性效應為主,還有部分表現為不同程度的顯性。表3

表2 F2∶ 3家系葉寬方差和廣義遺傳力

2.4 玉米葉寬的全基因組選擇

研究表明,對玉米F2群體的葉寬性狀進行全基因組選擇,預測精度僅為0.34。

當使用10、30、50、100、300個SNP標記對葉寬進行全基因組選擇分析時,葉寬的預測精度分別在0.12、0.19、0.22、0.25、0.28附近均勻分布,葉寬預測精度分別提升了0.07、0.03、0.03、0.03。標記數目從300增加到50 000時,葉寬的預測精都在0.28處附近均勻分布,前后差異不明顯。在雙親后代群體中,使用300個SNP標記進行全基因組選擇可以得到比較好的預測精度。圖2

圖2 F2群體不同訓練群體大小玉米葉寬全基因組預測精度

當訓練群體大小為總群體的10%時對葉寬進行全基因組選擇分析,葉寬的預測精度在0.15上下均勻分布;當訓練群體大小為20%時,葉寬的預測精度在0.21上下均勻分布;當訓練群體大小為30%時,葉寬的預測精度均在0.24附近均勻分布;當訓練群體大小為40%時,葉寬的預測精度均在0.27附近均勻分布;當訓練群體大小上升到50%時,葉寬的預測精度在0.29附近均勻分布;之后當繼續(xù)增大訓練群體時,葉寬的預測精度始終在0.29附近均勻分布,變異范圍逐漸增大。當訓練群體大小為總群體的50%時進行全基因組選擇。圖3

圖3 F2群體不同SNP個數玉米葉寬全基因組預測精度

表3 F2∶ 3 家系玉米葉寬的QTL定位結果

3 討 論

通過穗位葉葉寬存在顯著差異的親本鄭58和B73及其構建的F2∶ 3家系,對玉米穗位葉葉寬進行遺傳分析,該性狀遺傳力僅為0.39,受到環(huán)境、基因型、環(huán)境與基因型互作顯著影響,在育種時可以選擇在較晚世代對葉寬進行選擇。該結果與前人結果相似,趙小強等[12]在不同水分環(huán)境處理下F2∶ 3群體(POP2-2R1)發(fā)現穗位葉寬遺傳力僅為0.36,且受到環(huán)境、基因型、環(huán)境與基因型互作顯著影響。趙文明[17]以豫82和沈137為親本構建F2∶ 3家系群體,發(fā)現葉寬的遺傳力較低為0.55。相對于分子標記輔助選擇,可以對葉寬性狀進行全基因組選擇育種。

研究在不同環(huán)境下共定位到12個與葉寬有關的QTL。其中qew5-1、qew4-1和qew5-2是主效QTL,表型貢獻率分別為16.17%、10.63%和13.18%。其中qew1-1與qew5-1是多環(huán)境下穩(wěn)定遺傳的位點,分別位于1號和5號染色體。

唐登國[4]利用自交系B73和1212構建的325個重組自交系群體,采用完備區(qū)間作圖法對葉寬進行QTL定位,定位到qLW1-5a和qLW1-5b定位區(qū)間為bin 5.01,與研究所定位qew5-1區(qū)間一致。文獻[18]使用Yu82X9 D132組建RIL群體結合1 226個SNP標記在3種環(huán)境中進行QTL定位,定位到qLW8定位區(qū)間為bin 8.02和試驗所定位到的qew8-1的定位區(qū)間一致。張瑩瑩等[5]在5號染色體與8號染色體上共定位到5個穗位葉QTL,其中在8號染色體中定位到的qSecLW1-8在bin 8.05定位區(qū)間內,和研究的qew8-2的定位區(qū)間相近。鄭祖平等[19]用自交系Mo17與黃早四構建的RIL定位群體,定位到qWL4-1、qWL4-2和qWL10-1分別位于bin 4.08、bin 4.09和bin 10.07定位區(qū)間內,與試驗qew4-1、qew4-2和qew10-1的定位區(qū)間一致。共定位到的QTL是穩(wěn)定QTL,可以用于精細定位和基因克隆,研究定位結果的可靠。試驗中,qew1-1屬于微效新QTL位點,為葉寬遺傳育種提供了新的變異位點。研究結果表明葉寬是由多個位點控制,以加性效應為主。

葉寬全基因組選擇預測精度較低為0.34,這可能與葉寬遺傳力低有關。研究訓練群體大小和標記個數對預測精度影響時,隨著訓練群體和標記數量的增大,預測精度呈現先增長后趨于平緩的趨勢。當訓練群體占總群體的50%,標記數量為300時,便可以得到較高的預測精度,該結果與文獻[20-21]的結果相似,在DH群體的普通銹病進行全基因組選擇研究時發(fā)現,隨著訓練群體的增大、標記數量的增多,預測精度呈現先上升再平緩的趨勢,當訓練群體占總群體的50%、標記個數為300時,預測結果較好。進行全基因組選擇時,標記個數取決于群體的連鎖不平衡值,連鎖不平衡值越高,需要的標記數越少。

4 結 論

4.1玉米穗位葉寬受環(huán)境、基因型、環(huán)境與基因型互作顯著影響。葉寬遺傳力為0.39,遺傳力較低,在育種時可以在較晚世代進行選擇。

4.2共檢測到12個影響玉米穗位葉寬的QTL位點,分布在第1、3、4、5、8和10號染色體上,得到了2個多環(huán)境下穩(wěn)定遺傳的QTL位點,分別位于bin 1.06、bin 5.01,其中bin 5.01的QTL為主效位點,平均PVE為14.68%。

4.3在雙親后代群體中,當訓練群體比例占到群體基因型總數的50%、分子標記的個數到達300時,預測精度就可以到達相對較高的水平。