摘"要：玉米穗部性狀顯著影響產(chǎn)量，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）挖掘與穗部性狀緊密關(guān)聯(lián)的遺傳位點(diǎn)，不僅有助于理解這些性狀的遺傳基礎(chǔ)，還可以開發(fā)分子標(biāo)記，為分子標(biāo)記輔助選擇育種奠定基礎(chǔ)。本研究選用350份玉米自交系構(gòu)成的自然群體，利用玉米6H60K芯片鑒定自交系的基因型。采用混合線性模型（MLMM）對(duì)穗行數(shù)、穗軸粗、穗長、行粒數(shù)和穗粗等性狀開展全基因組關(guān)聯(lián)分析，篩選與目標(biāo)性狀關(guān)聯(lián)的SNP標(biāo)記。研究結(jié)果顯示，五個(gè)穗部性狀在試驗(yàn)群體中均呈現(xiàn)正態(tài)分布特征，兩個(gè)環(huán)境下各性狀的變異系數(shù)均大于10%，5個(gè)性狀的偏度和峰度值均在-1～1之間；以Plt;0.000 1為標(biāo)準(zhǔn)，共獲得32個(gè)與玉米穗部性狀顯著相關(guān)的SNP位點(diǎn)，分布于1～10號(hào)染色體上。結(jié)果表明，玉米自交系穗部性狀作為典型的數(shù)量性狀，主要受微效多基因控制，遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜。

關(guān)鍵詞：玉米自交系;穗部性狀;SNP;群體結(jié)構(gòu);全基因組關(guān)聯(lián)分析

中圖分類號(hào)：S513""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""文章編號(hào)：0488-5368（2025）03-0007-06

Genome-Wide Association Study of Ear Related Traits in Maize Inbred Lines

BAI Qiyan1，2， NAN Wenzhi1，2， ZHANG Xiong1，2，YANG Hongxia1，LIUTingting1

（1.College of Life Sciences ，Yulin University，Yulin， Shaanxi， China 2. Engineering and Technology Research Center of

Water-Saving for Crops in Arid Area of Northern Shaanxi， Yulin ， Shaanxi 719000， China）

Abstract：Maize ear traits play an important role in determining yield. Genome-wide association studies （GWAS） can help find genetic sites related to these traits， which improves understanding of their genetic basis and supports the development of molecular markers for breeding. In this study， a total of 350 maize inbred lines were used， and their genotypes were identified using the maize 6H60K chip. A mixed linear model （MLMM） was applied to study key ear traits， including ear row number， cob diameter， ear length， kernel number per row， and ear diameter， and to identify SNP markers linked to these traits.The results showed that all five ear traits followed a normal distribution in the tested population. The variation coefficients for each trait were greater than 10% in both environments， and the skewness and kurtosis values ranged between -1 and 1. Using a significance level of P lt; 0.0001， a total of 32 SNP loci related to maize ear traits were found across chromosomes 1 to 10. These findings suggest that maize ear traits are quantitative traits mainly controlled by many small-effect genes and have a complex genetic background.

Key words： Maize inbred lines; Ear traits; SNP; Population structure; GWAS

提高玉米產(chǎn)量是育種的核心目標(biāo)。玉米產(chǎn)量主要取決于三個(gè)因素：單位面積上的穗數(shù)、每穗的粒數(shù)以及粒重[1]。其中，穗部性狀作為產(chǎn)量構(gòu)成的關(guān)鍵因素，一直受到育種家的密切關(guān)注。穗部性狀包括了穗長、結(jié)實(shí)長度、穗的直徑、穗行數(shù)以及粒數(shù)等。由于這些性狀具有顯著的遺傳效應(yīng)[2]，因此，深入研究玉米穗部相關(guān)性狀的遺傳機(jī)制，對(duì)于提升玉米產(chǎn)量具有極其重要的價(jià)值。

玉米的穗部性狀是由多個(gè)基因共同調(diào)控的數(shù)量性狀，容易受到環(huán)境因素的影響。通過在不同的群體中進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS），已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量與玉米穗部相關(guān)性狀的基因位點(diǎn)。例如，Yi等[3]利用重組自交系（RIL）和F2群體，成功鑒定出13個(gè)與穗軸粗相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL），這些QTLs能夠解釋表型變異的4.3%～8.7%。Guo等[4]使用由鄭58x昌7-2構(gòu)建的231個(gè)F2：3家系中，在兩種不同的密度條件下進(jìn)行兩組試驗(yàn)，成功鑒定出13個(gè)控制穗軸粗的QTLs。其中，有3個(gè)QTLs解釋表型變異率的13.65%～24.71%。在韓國糯玉米構(gòu)建的F2：3群體中，Choe等[5]成功地鑒別出7個(gè)控制穗軸粗度的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL），解釋表型變異率為4.4%～12.9%。王幫太等[6]通過元分析方法，整合了與產(chǎn)量性狀相關(guān)的QTL，發(fā)現(xiàn)5個(gè)與穗軸粗度相關(guān)的QTL是一致的，其中，2個(gè)元-QTL位于籽粒產(chǎn)量的關(guān)鍵區(qū)域。Su等人[7]采用了復(fù)合區(qū)間作圖和最小絕對(duì)值收斂和選擇的方法，分別鑒別出2個(gè)和3個(gè)控制穗軸粗度的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTLs）。Zhu等[8]在全基因組關(guān)聯(lián)分析中發(fā)現(xiàn)5個(gè)單核苷酸多態(tài)性（SNPs）和穗軸粗度顯著相關(guān)，確定6個(gè)候選基因。Zhang等[9]在研究中結(jié)合連鎖分析和關(guān)聯(lián)分析，成功確定了13個(gè)控制穗軸粗度的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTLs）和25個(gè)與穗軸粗顯著相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性（SNPs）。張煥欣等[10]在203份玉米自交系構(gòu)建的關(guān)聯(lián)群體基礎(chǔ)上，對(duì)穗行數(shù)的遺傳機(jī)制進(jìn)行了深入解析，成功檢測(cè)到9個(gè)與穗行數(shù)顯著相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性（SNPs），并找到4個(gè)候選基因。吳律等[11]利用80份核心玉米自交系進(jìn)行了深入的行粒數(shù)關(guān)聯(lián)分析，檢測(cè)到19個(gè)與行粒數(shù)緊密相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性（SNP），這些SNP的具體位置和影響已被精確鑒定。馬娟等[12]在309份玉米自交系構(gòu)成的關(guān)聯(lián)群體中，精心展開了對(duì)調(diào)控穗軸粗度的遺傳位點(diǎn)的探索工作，成功地判斷出12個(gè)與穗軸粗度顯著相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性（SNPs）。Yang等[13]在126個(gè)玉米自交系中，檢測(cè)到116個(gè)與穗粗、穗行數(shù)和行粒數(shù)相關(guān)的SNP位點(diǎn)。錢佳翼等[14]在來源廣泛的玉米自交系中，利用10個(gè)重組自交系群體，挖掘出與穗長、穗行數(shù)、穗重和穗軸重等穗發(fā)育性狀相關(guān)的17～34個(gè)關(guān)聯(lián)位點(diǎn)[15]，深入研究穗型和粒型相關(guān)性狀的全基因關(guān)聯(lián)分析，成功識(shí)別出28個(gè)穗型相關(guān)的單核苷酸多態(tài)性（SNPs）和16個(gè)與粒型相關(guān)的SNPs。

由于玉米穗部性狀遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜，基因組變異豐富，不研究群體的遺傳位點(diǎn)差異可能較大。同時(shí)玉米全基因組已經(jīng)完成測(cè)序[16，17]，但有關(guān)玉米穗部性狀的全基因組關(guān)聯(lián)分析的研究報(bào)道較少。本研究通過使用350份自交系構(gòu)建的遺傳群體，為了深入剖析這些自交系的穗部性狀，我們采用了23 801個(gè)高精度的單核苷酸多態(tài)性（SNP）標(biāo)記?；诙喾N模型，我們成功地識(shí)別出了與穗部性狀顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)。這些研究成果也為玉米遺傳學(xué)和分子育種領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路和方法，有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

1材料與方法

1.1材料

本試驗(yàn)材料來源于1 200份重要的育種材料。通過2021年和2022年的田間表型鑒定，選擇性狀差異較大的350份自交系。試驗(yàn)材料采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)種植于陜西省榆林市榆陽區(qū)國家農(nóng)業(yè)示范園區(qū)，分別于2021年和2022年兩個(gè)環(huán)境下雙行種植，行距0.6 m，株距0.25 m，行長3 m，外側(cè)設(shè)置1 m保護(hù)行；成熟后按自交系統(tǒng)一收獲晾曬，隨機(jī)挑選玉米穗，按照相關(guān)標(biāo)椎進(jìn)行表型性狀測(cè)量。田間管理按照大田常規(guī)管理，適時(shí)施肥、灌溉、噴灑除草劑，避免各種生物和非生物脅迫。

1.2方法

1.2.1表型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析利用R語言對(duì)不同環(huán)境穗部性狀進(jìn)行相關(guān)性分析。利用QTL IciMappingv4.0對(duì)2021年和2022年兩個(gè)環(huán)境下的表型數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、遺傳力評(píng)估以及計(jì)算穗部性狀最佳線性無偏估計(jì)值（BLUE）。

1.2.2基因型鑒定和分析基于AFFYmetrix芯片檢測(cè)平臺(tái)，采用Maize6H-60K芯片進(jìn)行基因分型。基因芯片分析系統(tǒng)檢測(cè)流程包括DNA提取、DNA樣品質(zhì)量檢測(cè)、DNA均一化、DNA線性擴(kuò)增、DNA片段化、片段化DNA沉淀與重懸、芯片雜交、芯片清洗、單堿基延伸及染色、芯片掃描、數(shù)據(jù)質(zhì)控、SNP分型等流程。采用TASSEL5.0軟件檢測(cè)群體SNP。

1.2.3全基因組關(guān)聯(lián)分析利用分布在10條染色體上的SNP標(biāo)記鑒定350份玉米種質(zhì)資源構(gòu)成的自然群體的基因型，同時(shí)對(duì)上述玉米自交系的穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粗、穗軸粗等性狀在不同年份開展田間鑒定試驗(yàn)，獲得相應(yīng)的表型數(shù)據(jù)。利用混合線性模型（MLM）篩選與上述穗部性狀相關(guān)的SNP位點(diǎn)。

2結(jié)果分析

2.1芯片基因分型

利用TASSEL5.0軟件對(duì)28 496個(gè)SNP基因型數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性分析，以最小等位變異頻率（Minor AlleleFrequency）gt;0.01和缺失數(shù)據(jù)比率（Proportion Missing）lt;0.01為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行質(zhì)量控制，即去除質(zhì)量較低的SNP，

篩選到23 801個(gè)SNP標(biāo)記用于后續(xù)分析（圖1）。經(jīng)過質(zhì)控篩選后的SNP標(biāo)記分散到每條染色體上，可用于后續(xù)GWAS分析（圖1）。

2.2穗部性狀的表型變異分析

通過統(tǒng)計(jì)分析穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粗、穗軸粗等5個(gè)穗部性狀的表型數(shù)據(jù)（表1），發(fā)現(xiàn)5個(gè)穗部性狀在2個(gè)環(huán)境中各表型變異范圍不同，2021年變異范圍分別為4.92～19.00、1.41～5.83、8.00～24.00、6.0～38.00、0.85～3.33；2022年的變異范圍分別為3.83～21.33、2.67～8.00、10.00～24.00、10.00～46.00、1.10～3.73。行粒數(shù)在兩個(gè)環(huán)境下的變異系數(shù)最大為29.40%和21.97%，2021年穗行數(shù)的變異系數(shù)最小為17.50%，2022年穗粗的變異系數(shù)最小為12.40%。同時(shí)，各性狀在2021年環(huán)境的變異系數(shù)均大于2022年環(huán)境，其中穗粗、穗軸粗和行粒數(shù)2 a的變異差值達(dá)到7%以上，表明各性狀受環(huán)境影響較大。廣義遺傳力（H2）表現(xiàn)為穗行數(shù)gt;穗軸粗gt;穗長gt;行粒數(shù)gt;穗粗，其遺傳力分布范圍為0.39～0.58，穗行數(shù)具有最高的遺傳貢獻(xiàn)率，而穗粗的遺傳變異度最低。表明環(huán)境因素對(duì)穗行數(shù)的影響最小，對(duì)穗粗的影響最大。

2.3穗部性狀的方差分析

方差分析結(jié)果表明（表2），5個(gè)穗部性狀的基因型、環(huán)境以及基因型與環(huán)境互作型效應(yīng)均達(dá)到極顯著差異（Plt;0.001），表明基因型、環(huán)境以及基因型與環(huán)境互作對(duì)5個(gè)穗部性狀的形成均具有顯著影響，同時(shí)穗長（EL）、行粒數(shù)（KNR）的基因型、環(huán)境、基因型與環(huán)境互作型方差較大，表明了不同自交系、不同環(huán)境對(duì)這兩個(gè)性狀影響較大。

2.4玉米穗部性狀相關(guān)性分析

為進(jìn)一步分析穗部性狀間的關(guān)系，本研究使用BLUE值對(duì)5個(gè)性狀進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明（圖2），穗部性狀相關(guān)性表現(xiàn)在穗長與穗粗、行粒數(shù)、穗軸粗呈極顯著正相關(guān)，穗粗與穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗軸粗呈極顯著正相關(guān)。穗部性狀中，以穗長與行粒數(shù)的相關(guān)性最高（r2=0.66），表明穗部性狀之間的相關(guān)性較為密切。

2.5玉米穗部性狀的全基因組關(guān)聯(lián)分析

通過MLM模型對(duì)穗部相關(guān)目標(biāo)性狀進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，在2個(gè)環(huán)境中共檢測(cè)到32個(gè)與穗部性狀顯著關(guān)聯(lián)SNP位點(diǎn)（穗長7個(gè)、穗粗16個(gè)、穗行數(shù)1個(gè)、行粒數(shù)1個(gè)、穗軸粗7個(gè)），分別分布在玉米的1～10號(hào)染色體上，解釋表型變異率（R2）范圍為6.27%～12.3%，其中1號(hào)和10號(hào)染色體上目標(biāo)性狀相關(guān)SNP數(shù)量最多（7個(gè)），5號(hào)和6號(hào)染色體上目標(biāo)性狀相關(guān)SNP數(shù)量最少（1個(gè)），平均每條染色體上有3.2個(gè)相關(guān)SNP（表3）。有5個(gè)顯著相關(guān)SNP的R2值大于10%，與穗粗和穗軸粗有關(guān)；穗行數(shù)和行粒數(shù)僅定位到1個(gè)SNP（表4）。

3討論

五個(gè)穗部性狀的變異系數(shù)范圍介于12.4%～29.4%之間，表現(xiàn)出豐富的遺傳變異，其中玉米穗行數(shù)的遺傳力最高，穗粗的遺傳力最小，表明穗行數(shù)受環(huán)境影響最小，穗粗受環(huán)境影響最大。穗長、穗行數(shù)、穗粗、行粒數(shù)和穗軸粗等5個(gè)性狀之間主要表現(xiàn)為正相關(guān)，其中穗長與行粒數(shù)的相關(guān)性最高，行粒數(shù)與穗行的相關(guān)系數(shù)值最低。穗長性狀在1號(hào)染色體上關(guān)聯(lián)到5個(gè)SNP位點(diǎn)，表明調(diào)控穗長性狀的遺傳主要位于1號(hào)染色體。其中，Affx-291 400 233、Affx-291 430 439和Affx-291 377 647的位置非常接近，位于17.17-17.49 Mb的區(qū)間內(nèi)；Affx-291 395 779和Affx-291 406 977僅差4 563 bp。Massman等[18]指出，當(dāng)顯著性SNP之間的距離小于5 cm時(shí)，可以將它們歸為一個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL），表明上述5個(gè)位點(diǎn)附近有多個(gè)調(diào)控穗長的QTLs。Affx-291 427 804位于10號(hào)染色體，與殷芳冰等[19]定位的10號(hào)染色體上QTL熱點(diǎn)區(qū)間148.671～149.279 Mb接近，表明該位點(diǎn)附近存在調(diào)控穗長的遺傳位點(diǎn)。在穗粗性狀中，篩選到16個(gè)相關(guān)聯(lián)的SNP標(biāo)記，其中3號(hào)染色體上的Affx-291 427 904和Affx-291 385 567與孫達(dá)秋[20]定位到的3號(hào)染色體SNP熱點(diǎn)區(qū)間218.404 8～219.243 7 Mb相差4 Mb；6號(hào)染色體上的Affx-291 412 949與殷芳冰等[21]定位到的6號(hào)染色體SNP位置162.81 Mb接近，相差4 Mb；4號(hào)染色體上的Affx-291 404 979位于楊林[22]等定位到的SNP物理位置154.46 Mb附近，相差4 Mb。在穗行數(shù)性狀中，定位到1個(gè)SNP位點(diǎn)（Affx-291379632），該標(biāo)記位點(diǎn)位于2號(hào)染色體上，具體位置是23.59 Mb，對(duì)應(yīng)的是Affx-291 379 632。這個(gè)位點(diǎn)位于殷芳冰等[21]確定的QTL熱點(diǎn)區(qū)間2號(hào)染色體22.071～26.774 Mb之間。在行粒數(shù)性狀中，篩選到1個(gè)SNP標(biāo)記（Affx-88 995 762），和楊林[22]等定位的8號(hào)染色體SNP位點(diǎn)135.35 Mb非常接近。在穗軸粗性狀中，篩選到7個(gè)SNP標(biāo)記，1號(hào)染色體定位到上的Affx-291 442 820位于SNP熱點(diǎn)區(qū)間19.435-33.699 Mb之間；9號(hào)染色體上的Affx-291 421 885物理位置在16.50 Mb處，位于定位的9號(hào)染色體SNP熱點(diǎn)區(qū)間11.889～17.943 Mb之間；10號(hào)染色體定位的Affx-291 414 865、Affx-291 386 836分別位于定位的10號(hào)染色體SNP熱點(diǎn)區(qū)間6.925～11.925 Mb和13.767～18.856 Mb之間[21]。本研究基于全基因組關(guān)聯(lián)分析挖掘玉米穗部性狀的關(guān)聯(lián)位點(diǎn)，對(duì)解析雌穗性狀遺傳結(jié)構(gòu)具有重要意義，所鑒定的熱點(diǎn)區(qū)間可為雌穗性狀調(diào)控基因克隆提供理論參考。

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