吳昊 王瑞澤 何永輝 梁爽 劉歡歡

摘要：合理的雄穗結(jié)構(gòu)在協(xié)調(diào)玉米株型、增加生物產(chǎn)量方面具有重要的意義，而雄穗結(jié)構(gòu)的2個(gè)重要指標(biāo)分別是雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)。本研究利用玉米雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)具有顯著差異的自交系Y915和鄭58構(gòu)建重組自交系（RIL）群體，在連續(xù)自交6代后，利用高密度分子遺傳圖譜在3個(gè)環(huán)境（2020年春揚(yáng)州、2021年春揚(yáng)州和2021年夏鎮(zhèn)江）對(duì)玉米雄穗主軸長(zhǎng)（TL）和分枝數(shù)（TBN）進(jìn)行QTL分析。結(jié)果共檢測(cè)到6個(gè)雄穗主軸長(zhǎng)QTLs，分布于1號(hào)、8號(hào)和10號(hào)染色體上，貢獻(xiàn)了5.10%～14.63%的表型變異；4個(gè)雄穗分枝數(shù)相關(guān)性狀QTLs，分布于1號(hào)、4號(hào)和6號(hào)染色體，貢獻(xiàn)了5.69%～10.56%的表型變異。其中在多個(gè)環(huán)境下檢測(cè)到qTBN1-1位點(diǎn)，并且此區(qū)間上還有1個(gè)控制雄穗主軸長(zhǎng)的位點(diǎn)qTL1-1。本研究將為挖掘玉米雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)基因和分子標(biāo)記輔助品種改良提供參考。

關(guān)鍵詞：玉米；雄穗主軸長(zhǎng)；雄穗分枝數(shù)；QTL定位

中圖分類號(hào)：S513.032 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2023）15-0016-05

基金項(xiàng)目：江蘇省種業(yè)揭榜掛帥項(xiàng)目（編號(hào)：JBGS［2021］055）；江蘇省種業(yè)振興揭榜掛帥項(xiàng)目（編號(hào)：JBGS［2021］002）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：吳 昊（1996—），男，江蘇揚(yáng)州人，博士研究生，主要從事玉米遺傳研究。E-mail：874856414@qq.com。

通信作者：劉歡歡，博士，講師，主要從事玉米遺傳研究。E-mail：liuhh@yzu.edu.cn。

玉米是世界上極為重要的糧飼作物，在美國(guó)、中國(guó)、巴西等國(guó)家廣泛種植［1］。玉米雄穗性狀對(duì)產(chǎn)量有較大的影響，其中雄穗分枝數(shù)一般對(duì)產(chǎn)量有負(fù)作用。李建波研究發(fā)現(xiàn)，去除雄穗后玉米產(chǎn)量提高［2］。Lambert等研究發(fā)現(xiàn)，雄穗分枝數(shù)對(duì)玉米產(chǎn)量有負(fù)面影響［3-4］，這可能是由于過(guò)多的雄穗分枝數(shù)消耗大量養(yǎng)分，加劇與雌穗的競(jìng)爭(zhēng)；同時(shí)由于產(chǎn)生的花粉過(guò)多，玉米葉片表面接受陽(yáng)光面積變小，削弱了葉片的光合作用。較長(zhǎng)的雄穗往往伴隨著更長(zhǎng)的散粉時(shí)長(zhǎng)，在高溫、干旱等逆境下有較好的籽粒結(jié)實(shí)率［5］。因此，選育大小合適的雄穗玉米品種，是玉米育種的目標(biāo)之一。

玉米雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)是由多個(gè)位點(diǎn)協(xié)同控制的數(shù)量遺傳性狀。湯華等利用雜交種豫玉22號(hào)連續(xù)自交得到266份材料的F2：3群體，在武漢和襄樊2個(gè)環(huán)境下檢測(cè)到9個(gè)雄穗分枝數(shù)的數(shù)量性狀基因座（QTL），其中有5個(gè)在2個(gè)環(huán)境下均能被檢測(cè)到［6］；楊釗釗等在2個(gè)以黃早四為共同親本的重組自交系（RIL）群體中都檢測(cè)到一個(gè)主效雄穗一級(jí)分枝數(shù)QTL，貢獻(xiàn)率分別為17.4%和14.4%，且位點(diǎn)高度重疊［7］；高世斌等運(yùn)用復(fù)合區(qū)間作圖法檢測(cè)N87-1與9625配制的含183個(gè)家系的F3分離群體，在干旱和正常2個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)的11個(gè)QTL，其中有2個(gè)QTL在2個(gè)環(huán)境下均能被檢測(cè)到［8］；代資舉等以鄭58和昌7-2為親本組建RIL群體，在2年重復(fù)檢測(cè)到5個(gè)雄穗分枝數(shù)QTL，其中，qTBN5的表型貢獻(xiàn)率為19.92%，并將其精細(xì)定位到13.2 Mb區(qū)間之內(nèi)［9］；張媛等利用雄穗分支數(shù)差異明顯的甜玉米T14與T4配制F2、F2：3群體，檢測(cè)到分別位于第2、4號(hào)染色體上的3個(gè)表現(xiàn)穩(wěn)定的雄穗分枝數(shù)QTLs［10］。除了以上QTL定位結(jié)果以外，Guan等利用B73和CML247構(gòu)成的RIL群體檢測(cè)到4個(gè)雄穗分枝數(shù)QTL位點(diǎn)，并克隆到負(fù)調(diào)節(jié)雄穗分枝數(shù)的基因ZmPAT7，當(dāng)ZmPAT7基因啟動(dòng)子發(fā)生變異，表達(dá)量下降以后，玉米的雄穗分枝數(shù)得到顯著提高［11］。盡管國(guó)內(nèi)外開展了很多定位和克隆玉米雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)相關(guān)基因的工作，但由于研究中使用的群體種類、遺傳背景、環(huán)境條件等各因素的差異，能有效控制雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)的基因被發(fā)掘的不多，因此進(jìn)一步對(duì)雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)的QTL定位和基因發(fā)掘工作是十分必要的。

本研究以雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)有顯著差異的Y915和鄭58為親本，經(jīng)過(guò)多年連續(xù)自交得到了包含171個(gè)家系的RIL。通過(guò)構(gòu)建的高密度遺傳圖譜對(duì)雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)性狀進(jìn)行QTL分析，以期能夠在多個(gè)環(huán)境下找到穩(wěn)定遺傳的QTL位點(diǎn)，為玉米雄穗性狀的改良以及選育理想雄穗株型提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

利用筆者所在實(shí)驗(yàn)室玉米自交系Y915和鄭58在2017年雜交得到F1，在揚(yáng)州和海南兩地連續(xù)自交6代后得到包含171個(gè)家系的重組自交系群體。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

171個(gè)重組自交系群體以及親本在2020年和2021年分別種植于3個(gè)環(huán)境中（2020年春江蘇省揚(yáng)州市揚(yáng)州大學(xué)試驗(yàn)田、2021年春江蘇省揚(yáng)州市揚(yáng)州大學(xué)試驗(yàn)田、2021年夏江蘇省鎮(zhèn)江市世業(yè)洲試驗(yàn)田，分別簡(jiǎn)稱為20春揚(yáng)州、21春揚(yáng)州、21夏鎮(zhèn)江）。田間試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置2個(gè)重復(fù)：行長(zhǎng)2.5 m，短行行距30 cm，長(zhǎng)行行距90 cm，每行種植10株，株距25 cm，田間管理按照當(dāng)?shù)卣Ｔ耘啻胧┻M(jìn)行管理。

1.3 田間性狀調(diào)查

表型數(shù)據(jù)以行為單位進(jìn)行調(diào)查。每行植株中，除邊上2株外，隨機(jī)選取3株對(duì)表型值進(jìn)行調(diào)查，以3株玉米測(cè)定值的平均值作為此行的表型值。本研究于植株散粉期后20 d共調(diào)查了RIL群體中的雄穗相關(guān)性狀：雄穗主軸長(zhǎng)（TL）和雄穗分枝數(shù)（TBN）。雄穗主軸長(zhǎng)為雄穗穗頸節(jié)到雄穗頂部的長(zhǎng)度（cm）［12］；雄穗分枝數(shù)為雄穗主軸及其分枝數(shù)目［13］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 21.0軟件對(duì)測(cè)定的各表型數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，利用Microsoft Excel 2010處理分析基因型數(shù)據(jù)。

1.5 連鎖圖譜構(gòu)建與QTL分析

將親本以及重組自交系送樣至北京中玉金標(biāo)記生物技術(shù)股份有限公司，進(jìn)行maize10K基因型檢測(cè)。參考陳俊宇等的方法［14］構(gòu)建連鎖遺傳圖譜。

QTL 定位使用WinQTL Cartographer 2.5軟件進(jìn)行，方法采用復(fù)合區(qū)間作圖法，使用 kosambi函數(shù)轉(zhuǎn)化圖距，作圖步長(zhǎng)為1.00 cM （centimorgan，簡(jiǎn)稱cM）。QTL的閾值設(shè)為2.5，QTL的置信區(qū)間為從LOD曲線的最高點(diǎn)下降1.5個(gè)LOD值的標(biāo)記區(qū)間［15-16］。

本研究中 QTL命名參考 McCouch等的方法［17］，規(guī)則如下：雄穗相關(guān)性狀的QTL以qTBN1-1為例，q表示QTL，TBN為性狀英文字母縮寫，1-1表示在1號(hào)染色體檢測(cè)到的第1個(gè)QTL。

2 結(jié)果與分析

2.1 遺傳圖譜的構(gòu)建

利用10K的SNP標(biāo)記檢測(cè)RIL群體的基因型，將其中連續(xù)多個(gè)標(biāo)記基因型結(jié)果相同的SNP作為一個(gè)bin，篩選后共得到2 120個(gè)bin（表1）。構(gòu)建bin map遺傳圖譜，全長(zhǎng)為2 582.22 cM，標(biāo)記間平均距離1.22 cM，標(biāo)記密度平均為0.82 bin/cM。bin標(biāo)記的分布在各條染色體中并不均勻：1號(hào)染色體的遺傳距離最長(zhǎng)（413.09 cM），9號(hào)染色體的遺傳距離最短（185.23 cM）；標(biāo)記密度最大在2號(hào)染色體，為0.97 bin/cM，7號(hào)染色體標(biāo)記密度最小，為 0.65 bin/cM（圖1-A）。以bin在各染色體上的位置信息為根據(jù)，計(jì)算bin兩兩之間的重組率（圖1-B）。

2.2 RIL群體雄穗分枝數(shù)和雄穗主軸長(zhǎng)的表型和相關(guān)性分析

由表2可知，在3個(gè)環(huán)境中，2個(gè)親本的雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)都有顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）差異（21夏鎮(zhèn)江的雄穗主軸長(zhǎng)除外）。RIL群體除了分枝數(shù)在21春揚(yáng)州峰度大于1外，群體的雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)在其他的環(huán)境中峰度和偏度的絕對(duì)值都小于1，近似正態(tài)分布（圖2）。雄穗主軸長(zhǎng)在3個(gè)環(huán)境下的變異系數(shù)分別是12.43%、11.89%和13.51%。雄穗分枝數(shù)在3個(gè)環(huán)境下的變異系數(shù)分別是31.03%、39.30%和31.22%。由基因型和環(huán)境的F值可知，2個(gè)性狀在遺傳差異和環(huán)境差異都表現(xiàn)為極顯著水平。

利用SPSS 21.0整合分析重組自交系群體3個(gè)環(huán)境下玉米R(shí)IL群體的雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)的表型值，結(jié)果（表3）表明，在3個(gè)環(huán)境下，雄穗主軸長(zhǎng)之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.567～0.658；分枝數(shù)兩兩之間也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.641～0.720。只有21春揚(yáng)州雄穗主軸長(zhǎng)和21夏鎮(zhèn)江雄穗分枝數(shù)以及20春揚(yáng)州雄穗主軸長(zhǎng)和20春揚(yáng)州雄穗分枝數(shù)之間存在顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.186和0.164，其余均無(wú)顯著相關(guān)性。

2.3 玉米雄穗相關(guān)性狀QTL定位

在3個(gè)環(huán)境下對(duì)雄穗主軸長(zhǎng)和雄穗分枝數(shù)進(jìn)行QTL定位，結(jié)果如表4和圖3所示。4個(gè)雄穗分枝數(shù)QTLs分別位于1、4、6號(hào)染色體上，LOD值的范圍為2.92～4.01，表型變異貢獻(xiàn)率為6.34%～10.56%，其中qTBN1-1表型貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到10.56%，加性效應(yīng)為1.34。雄穗主軸長(zhǎng)的QTL位點(diǎn)共有6個(gè)，分別位于1、8、10號(hào)染色體，LOD值最大為5.21，最小為2.59，表型變異貢獻(xiàn)率為5.10%～14.63%。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在21夏鎮(zhèn)江環(huán)境下定位到的qTL1-3提供了最大的表型貢獻(xiàn)率，達(dá)到14.63%，加性效應(yīng)為-1.56。

在20春揚(yáng)州和21春揚(yáng)州定位到了同一個(gè)控制雄穗分枝數(shù)的位點(diǎn)qTBN1-1，2個(gè)環(huán)境下可解釋的表型變異分別是10.56%和8.32%。并且此區(qū)間內(nèi)在21春揚(yáng)州檢測(cè)到1個(gè)控制雄穗主軸長(zhǎng)的位點(diǎn)qTL1-1，解釋了8.73%的表型變異。

3 討論

玉米育種目標(biāo)之一是選育合適的玉米雄穗表型的品種，即保證在有足夠粉量的同時(shí)盡量減小雄穗大?。?8］。前人研究發(fā)現(xiàn)，雄穗分枝數(shù)與產(chǎn)量負(fù)相關(guān)，與雄穗大小正相關(guān)，是衡量雄穗大小的重要指標(biāo)之一［19］，但雄穗主軸長(zhǎng)與分枝數(shù)的相關(guān)性卻罕見報(bào)道。本研究利用Y915和鄭58構(gòu)成的RIL群體計(jì)算了雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)的相關(guān)性，大多數(shù)環(huán)境下主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)之間并無(wú)顯著相關(guān)（表3），說(shuō)明雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)可能是2個(gè)獨(dú)立的影響雄穗大小的指標(biāo)。

本研究在3個(gè)環(huán)境中共檢測(cè)到10個(gè)雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)相關(guān)的QTL位點(diǎn)，分布在1、4、6、8、10號(hào)染色體上。檢測(cè)到的QTL位點(diǎn)部分與前人研究有重復(fù)性，其中玉米雄穗主軸長(zhǎng)QTL有4個(gè)與高晶等的研究結(jié)果［20］一致。位于1號(hào)染色體上的qTL1-1和qTL1-3均在高晶等基于代換系CL108發(fā)現(xiàn)的qTL1-2區(qū)間重疊；8號(hào)染色體上的qTL8-1在高晶等基于代換系CL113發(fā)現(xiàn)的qTL8區(qū)間重疊；10號(hào)染色體上的qTL10-1則與高晶等基于代換系CL136發(fā)現(xiàn)的qTL10區(qū)間重疊。雄穗分枝數(shù)QTL定位結(jié)果有3個(gè)與前人研究結(jié)果一致。位于4號(hào)染色體上的qTBN4-1與代資舉等發(fā)現(xiàn)的qTBN4位點(diǎn)［9-10］在同一個(gè)區(qū)段內(nèi)；位于6號(hào)染色體上的qTBN6-1與白成銀構(gòu)建的齊319X黃早四群體于標(biāo)記umc1656-umc1796內(nèi)定位到雄穗分枝數(shù)區(qū)間［21］重疊；6號(hào)染色體上定位到的另外一個(gè)QTL位點(diǎn)qTBN6-2則縮小了高晶等在代換系CL95中定位到的位于標(biāo)記Y6q120-phi299852之間的qTBN6-2位點(diǎn)［20］。與前人研究有相似的位點(diǎn)說(shuō)明了本研究QTL檢測(cè)結(jié)果是真實(shí)可靠的。玉米雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)在多個(gè)環(huán)境下很少有重疊位點(diǎn)，這可能是由于在不同的環(huán)境條件下雄穗發(fā)育狀況不同，從而對(duì)位點(diǎn)的特異性產(chǎn)生了影響。

本研究中還存在qTBN1-1、qTL1-2和qTL8-2這3個(gè)前人未發(fā)現(xiàn)的QTL，其中qTBN1-1在2個(gè)環(huán)境中被檢測(cè)到，且表型貢獻(xiàn)率分別達(dá)到8.32%和10.56%，此QTL位點(diǎn)可能具有較高的育種利用價(jià)值。另外2個(gè)QTL位點(diǎn)qTL1-2和qTL8-2只在單環(huán)境下檢測(cè)到，這2個(gè)QTL則需要在新的不同群體中來(lái)驗(yàn)證其有效性。

4 結(jié)論

本研究對(duì)雄穗主軸長(zhǎng)和分枝數(shù)2個(gè)性狀進(jìn)行分析，共檢測(cè)到10個(gè)QTLs，其中只有qTBN1-1被重復(fù)檢測(cè)到，且置信區(qū)間有重疊。同時(shí)這個(gè)區(qū)段還定位到1個(gè)控制雄穗主軸長(zhǎng)的位點(diǎn)qTL1-1，表明這里可能存在控制雄穗主軸長(zhǎng)和雄穗分枝數(shù)的一因多效或者緊密連鎖的基因，可能具有較高的育種利用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］Nikolic A，Andjelkovic V，Dodig D，et al. Quantitative trait loci for yield and morphological traits in maize under drought stress［J］. ABI Genetika，2011，43（2）：263-276.

［2］李建波. 玉米雄穗分枝相關(guān)主效基因ub4的精細(xì)定位和候選基因鑒定［D］. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019.

［3］ Lambert R J，Johnson R R. Leaf angle，tassel morphology，and the performance of maize Hybrids1［J］. Crop Science，1978，18（3）：499-502.

［4］賈 波，謝慶春，蔣學(xué)祥，等. 玉米雄穗主要性狀研究進(jìn)展［J］. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（32）：24-26.

［5］Upadyayula N，da Silva H S，Bohn M O，et al. Genetic and QTL analysis of maize tassel and ear inflorescence architecture［J］. Theoretical and Applied Genetics，2006，112（4）：592-606.

［6］湯 華，嚴(yán)建兵，黃益勤，等. 玉米5個(gè)農(nóng)藝性狀的QTL定位［J］. 遺傳學(xué)報(bào)，2005，32（2）：203-209.

［7］楊釗釗，李永祥，劉 成，等. 基于多個(gè)相關(guān)群體的玉米雄穗相關(guān)性狀QTL分析［J］. 作物學(xué)報(bào)，2012，38（8）：1435-1442.

［8］高世斌，趙茂俊，蘭 海，等. 玉米雄穗分枝數(shù)與主軸長(zhǎng)的QTL鑒定［J］. 遺傳，2007，29（8）：1013-1017.

［9］代資舉，王新濤，楊 青，等. 玉米雄穗分枝數(shù)主效QTL定位及qTBN5近等基因系構(gòu)建［J］. 作物學(xué)報(bào)，2018，44（8）：1127-1135.

［10］張 媛，蔣 鋒，劉鵬飛，等. 甜玉米雄穗分枝數(shù)的QTL定位［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（15）：3492-3495.

［11］Guan H H，Chen X J，Wang K L，et al. Genetic variation in ZmPAT7 contributes to tassel branch number in maize［J］. International Journal ?of Molecular Sciences，2022，23（5）：2586.

［12］王鐵固，馬 娟，張懷勝，等. 玉米雄穗主軸長(zhǎng)度和分枝數(shù)的主基因+多基因遺傳分析［J］. 核農(nóng)學(xué)報(bào)，2012，26（2）：280-287.

［13］ Mock J J，Schuetz S H. Inheritance of tassel branch number in Maize1［J］. Crop Science，1974，14（6）：885-888.

［14］陳俊宇，盧 峰，陳婉瑩，等. 玉米生育期相關(guān)性狀QTL定位［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022，50（8）：63-68.

［15］劉歡歡，王 艷，陳婉瑩，等. 玉米穗位葉快速葉綠素?zé)晒鈪?shù)及產(chǎn)量相關(guān)性狀QTL定位［J］. 分子植物育種，2022，20（6）：1872-1882.

［16］Wang D F，Portis A R. Increased sensitivity of oxidized large isoform of ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase/oxygenase （rubisco） activase to ADP inhibition is due to an interaction between its carboxyl extension and nucleotide-binding pocket［J］. Journal of Biological Chemistry，2006，281（35）：25241-25249.

［17］McCouch S R，Cho Y G，Yano M，et al. Report on QTL nomenclature［J］. Rice Genetics Newsletter，1997，14：11-13

［18］劉軍霞，何小娟，劉婷婷. 不同環(huán)境下玉米雄穗分枝數(shù)和主軸長(zhǎng)的QTL分析［J］. 分子植物育種，2018，16（10）：3219-3226.

［19］陳正杰. 玉米雄穗分枝數(shù)目數(shù)量遺傳分析及QTL定位［D］. 雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

［20］高 晶，李海靈，田 然，等. 玉米雄穗相關(guān)性狀QTL分析［J］. 玉米科學(xué)，2022，30（2）：35-41，50.

［21］白成銀. 玉米雄穗分枝數(shù)的QTL定位［D］. 雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.