趙小強 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重點實驗室 / 甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院, 甘肅蘭州 730070

玉米(Zea mays)是高效的 C4糧食作物, 蘊藏著巨大的產(chǎn)量潛力, 并在維護糧食安全、促進畜牧業(yè)和工業(yè)發(fā)展中具有舉足輕重的作用。玉米對干旱比較敏感, 干旱缺水不僅影響玉米正常生長發(fā)育, 干擾其生理生化代謝, 而且嚴重影響產(chǎn)量和品質[1-2]。因此, 提高玉米的抗旱能力進而增加其產(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, 受多個微效基因的調控, 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在抗旱分子育種研究中得到了極大關注[4-5]。近年來, 借助分子標記技術鑒定干旱脅迫下調控玉米穗部性狀的基因組區(qū)域為進一步深入剖析其遺傳機制提供了可行的手段。

目前, 已有相關研究對干旱脅迫下玉米穗部性狀進行了遺傳剖析。譚巍巍等[3]以掖 478×黃早四和齊 319×黃早四構建了 2套 F2：3群體, 在干旱脅迫和正常水分條件下檢測到75個調控穗長、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個調控穗行數(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個調控穗長、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)境下檢測到29個調控雌穗個數(shù)、單穗重、穗長、穗粗、穗行數(shù)和行粒數(shù)的 QTL。甚至, 隨著學者對玉米穗部性狀QTL定位的不斷推進, 部分相關功能基因已被克隆。Calderón 等[9]以 W22×CIMMYT8759構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1個調控行粒數(shù)的QTL (KRN1.4)精細定位, 并找到了 1個調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)間調控UB3的表達進而調控玉米穗行數(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處檢測到1個調控10株穗數(shù)的mQTL, 并發(fā)現(xiàn)此區(qū)間存在1個參與滲透調節(jié)的pmg1(phosphoglycerate mutase1)基因。通過整合比較以往研究結果不難發(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制和基因調控網(wǎng)絡。因此, 在更為豐富的遺傳背景及水旱環(huán)境下檢測更多調控玉米穗部性狀的 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, 可為深入剖析干旱脅迫下玉米穗部性狀的遺傳機制、相應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)境下對單穗重、穗軸重、穗粒重、百粒重、出籽率、穗長6個穗部性狀進行QTL定位,并分析QTL×E及上位性互作位點, 以期全面剖析其遺傳機制, 為玉米抗旱高產(chǎn)分子育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參照課題組前期的試驗結果[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)。通過自交構建2套F2作圖群體并自交衍生獲得 2套相應的F2：3定位群體, 分別含202 (LTPOP)和218 (CTPOP)個家系。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 田間試驗及數(shù)據(jù)處理

2014年4月中旬將親本廊黃和TS141, 及其相應的 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 個試驗點(武威、張掖、古浪和景泰)均設置干旱脅迫(玉米大喇叭口前期至花期結束不供水, 其他生育時期每隔20 d供水一次)和正常供水(玉米全生育期內只要降水不足時就及時補水)處理[2], 對每一處理均采用完全隨機區(qū)組設計, 3次重復, 單行區(qū), 行長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個試驗點玉米生育期內氣象數(shù)據(jù)見圖1, 由于4個試驗點年蒸發(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個試驗點(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《玉米種質資源描述規(guī)范與數(shù)據(jù)標準》, 在玉米成熟期(9月底)從每行選擇長勢整齊一致的親本、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(ear length,EL)。參照 Zhao等[19]的方法, 計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)境下相應性狀的測定值,TW表示正常供水環(huán)境下相應性狀的測定值。采用IBM SPSS19.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)軟件中GLM-Univariate模型對 2套 F2：3群體 6個穗部性狀進行方差分析, 并分析其Pearson表型相關系數(shù)(rp)。參照 Zhao等[18]的方法估算相應穗部性狀間的遺傳相關系數(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]的方法估算相應穗部性狀的廣義遺傳力(broadsense heritability,H2)。

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

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

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

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

F2：3優(yōu)勢降低率(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

本課題組前期已經(jīng)構建了2套相應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)的復合區(qū)間作圖法(composite interval mapping, CIM)對單個水分環(huán)境下的穗部性狀進行QTL定位。通過1000次隨機抽樣確定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| =|顯性效應值/加性效應值|； A (加性效應)的|d/a| = 0～0.20； PD (部分顯性)的|d/a| = 0.21～0.80； D (顯性效應)的|d/a| = 0.81～1.20； OD (超顯性效應)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合區(qū)間作圖法(mixed linear model based on composite interval mapping, MCIM)聯(lián)合多個水分環(huán)境進行聯(lián)合QTL定位, 并分析QTL×E及QTL上位性互作效應。設窗口大小為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)合分析時出現(xiàn),而在單環(huán)境檢測下未出現(xiàn)。根據(jù)Tuberosa等[26]的標準檢測穩(wěn)定表達的sQTL (stable QTL), 即在不同群體或環(huán)境間檢測到同一性狀的 QTL, 標記區(qū)間相同或置信區(qū)間(confidence interval, CI)重疊(距離＜ 20 cM), 則被認定為一個sQTL。

2 結果與分析

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其雜交后代群體進行數(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個親本(廊黃、昌7-2、TS141)、2個F1雜交種(F1LT、F1CT)和 2 套 F2：3群體(LTPOP、CTPOP)的 6 個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 (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, 導致玉米嚴重減產(chǎn)。此外, 8種不同水分環(huán)境下, 2套F2：3群體6個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, 適合對其進行QTL分析。

表1 8種水分環(huán)境下F2：3群體(LTPOP/CTPOP) 6個穗部性狀的表型值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 F1雜交種(F1LT、F1CT)與其親本相比, 除出籽率的正向超親優(yōu)勢(0.9%)表現(xiàn)不明顯外, 其余 5個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, 其平均超親優(yōu)勢介于 117.8% (穗粒重)～35.8% (穗軸重)(圖 2)； 此外, 6 個穗部性狀的 F1雜種優(yōu)勢指數(shù)、相對雜種優(yōu)勢、中親優(yōu)勢及 F2：3優(yōu)勢降低率均一致表現(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(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個穗部性狀的雜種優(yōu)勢大小不一, 且自交后出現(xiàn)不同程度的雜種優(yōu)勢衰退現(xiàn)象。

聯(lián)合方差分析表明, 構建的2套F2：3群體6個穗部性狀在基因型間、環(huán)境間、基因型與環(huán)境互作間均達到P＜ 0.01或P＜ 0.05差異顯著水平(表2), 說明玉米的6個穗部性狀除顯著受自身的遺傳調控外,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個穗部性狀受遺傳本質的影響較大。

玉米 6個穗部性狀表型和遺傳相關分析表明,在不同水分環(huán)境下, 玉米的單穗重與穗軸重、穗粒重及穗長間極顯著(P＜ 0.01)正向表型/遺傳相關, 與出籽率間極顯著負向表型/遺傳相關； 穗軸重與穗長間極顯著正向表型/遺傳相關, 與穗粒重、百粒重及出籽率間極顯著負向表型/遺傳相關； 穗粒重與百粒重、出籽率及穗長間極顯著正向表型/遺傳相關； 百粒重與出籽率間極顯著正向表型/遺傳相關, 與穗長間極顯著負向表型/遺傳相關； 出籽率與穗長間極顯著正向表型/遺傳相關(表 3), 說明不同水旱環(huán)境下玉米的各個穗部性狀彼此高度遺傳和表型關聯(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個穗部性狀RC和雜種優(yōu)勢分析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)境下總共檢測到62個穗部性狀QTL, 分布于玉米的10個連鎖群中, 單環(huán)境下單個 QTL的表型貢獻率介于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)。其中有關單穗重的13個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)等遺傳效應調控； 有關穗軸重的11個QTL, 55.2%、17.2%和27.6%的穗軸重分別受A、PD和 D 等遺傳效應調控； 有關穗粒重的 13個 QTL,25.0%、35.7%、17.9%和21.4%的穗粒重分別受A、PD、D和OD等遺傳效應調控； 有關百粒重的7個QTL, 35.3%、47.1%和17.6%的百粒重分別受A、PD和 OD等遺傳效應調控； 有關出籽率的 9個 QTL,66.7%、19.0%和14.3%的出籽率分別受A、PD和D等遺傳效應調控； 有關穗長的 9個 QTL, 50.0%、35.0%和15.0%的穗長分別受PD、D和OD等遺傳效應調控。

?

干旱脅迫環(huán)境下 2套 F2：3群體間總共檢測到 38個(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。2套F2：3群體在多個干旱脅迫環(huán)境下總共檢測到10個穩(wěn)定表達的 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)處分別調控穗軸重、出籽率、穗長等的 4 個 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)處同時調控多個穗部性狀的6個“一因多效”sQTL, 說明玉米的這些Bin區(qū)域6個穗部性狀在不同環(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)境下進行了QTL聯(lián)合分析, 總共檢測到54個穗部性狀聯(lián)合QTL, 單個聯(lián)合QTL的加性效應表型貢獻率(h2A)介于 2.79% (LTPOP的qGW-Ch.8-1)～12.95% (LTPOP的qEW-J10-1), 其中 25個(46.3%)聯(lián)合 QTL僅在聯(lián)合分析中被檢測到(圖3和表4)。

此外, 24個(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QTL×E的加性與環(huán)境互作表型貢獻率(h2AE)介于 1.24% (LTPOP的qGW-Ch.8-1)～7.11%(CTPOP的qEW-J10-1)(表 4)。2 套 F2：3群體間總共檢測到 6個穩(wěn)定表達的 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F2：3群體(LTPOP/CTPOP) 6個穗部性狀聯(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分析中總共檢測到 17對加性與加性/顯性上位性(AA/AD) QTL (P＜ 0.05)(表 5)。其中單穗重間檢測到2對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率(h2AD)介于4.27%～6.92%；穗軸重間檢測到3對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率(h2AA)介于 3.85%～5.14%間；穗粒重間檢測到1對AA和1對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%； 百粒重間檢測到1對AD互作, 位于Bin 1.08-1.10與Bin 6.04處,h2AD為 4.40%～6.88%； 出籽率間檢測到 4對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%； 穗長間檢測到1對AA互作, 位于Bin 1.08-1.10與Bin 4.08處,h2AA為4.96%。

3 討論

3.1 水分對玉米穗部性狀的影響及穗部性狀的育種應用

在全球對玉米需求量的持續(xù)剛性增加及水資源短缺不可逆轉的趨勢下, 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。生殖生長階段水分虧缺時, 玉米的雌穗發(fā)育遲緩, 小花受精率降低, 籽粒結實率下降,空稈率增加, 籽粒發(fā)育受阻, 穗長、單穗重、穗軸重、穗粒重、百粒重、穗粒數(shù)和產(chǎn)量等嚴重降低[2-3,14,27]。本研究也得到類似的研究結果, 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建的2個F1雜交種和 2套 F2：3群體的 6個穗部性狀均顯著降低, 其降低程度為穗軸重＞百粒重＞穗長＞穗粒重＞單穗重＞出籽率, 表明穗軸重、百粒重和穗長的下降是導致玉米產(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、穗行數(shù)、百粒重等穗部性狀, 進而培育出優(yōu)良品種的效率遠高于對其產(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F1雜交種的單穗重、穗軸重、穗粒重、百粒重、穗長呈明顯的正向超親優(yōu)勢, 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； 且2個F1雜交種的F1雜種優(yōu)勢指數(shù)及相對雜種優(yōu)勢與 F2：3群體的優(yōu)勢降低率表現(xiàn)一致, 均為穗粒重＞單穗重＞穗軸重＞穗長＞百粒重＞出籽率, 這與李忠南等[29]、趙小強等[12]和 Zhao等[18]的研究結果一致。因此, 選擇優(yōu)良穗部性狀的玉米基因型時需要注重對其基礎材料的選擇, 同時注意對父本、中親和高親的選擇, 并兼顧雜種優(yōu)勢和雜種優(yōu)勢的衰退, 進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。本研究共檢測到62個穗部性狀QTL, 分布于玉米的10個連鎖群中。穗軸重和出籽率QTL主要受加性遺傳效應調控, 其加性遺傳效應分別占 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調控, 其非加性遺傳效應分別占55.6%、75.0%和64.7%,而穗長QTL受兩種遺傳效應調控, 各占50.0%, 與前人[2-5,12]的研究結果一致。因此, 在不同水旱環(huán)境下改良玉米的穗軸重、出籽率和穗長時應注重對其加性效應的累加, 同時還要考慮非加性效應的影響, 而對單穗重、穗粒重和百粒重而言, 組配雜交種時應特別注重雙親的相互作用及雜種優(yōu)勢的影響。

3.2 干旱脅迫下玉米穗部性狀QTL/sQTL的挖掘

本研究檢測到62個QTL, 在干旱脅迫環(huán)境下檢測到38個QTL。說明調控玉米穗部性狀的QTL在不同水旱環(huán)境下會發(fā)生改變, 有些在正常供水環(huán)境下表達的QTL在干旱脅迫環(huán)境下被抑制了, 而有些在正常供水環(huán)境下不表達的QTL在干旱脅迫環(huán)境的誘導下被激活了, 因此QTL/基因在不同水旱環(huán)境下的特異性表達直接導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制, 導致“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處檢測到多個“一因多效”穗部性狀 QTL,與表型及遺傳相關分析結果高度一致, 暗示玉米染色體的這些 Bin區(qū)域協(xié)同作用, 共同調控玉米穗部相關性狀的遺傳。此外, 作為典型的復雜數(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應用于玉米育種實踐中尚存在一定難度。本研究總共檢測到 10個穩(wěn)定表達的 sQTL, 可為干旱脅迫環(huán)境下玉米穗部性狀遺傳機制闡述、QTL精細定位、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個調控穗軸重的 sQTL, 位于 bnlg1484-umc1917(Bin 1.03-1.04)處存在1個調控出籽率的sQTL。趙小強等[12]利用2套F2群體也在此區(qū)間bnlg1484附近檢測到 1個同時調控單穗重、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個調控玉米百粒重的QTL。此外, 采用 meta分析法, 于多個干旱脅迫環(huán)境下 Zhao等[2]在 Bin 1.02-1.03 (umc1166-bnlg439)處挖掘到1個同時調控單穗重、穗軸重、穗長和產(chǎn)量的 meta-QTL(mQTL), 并在此區(qū)間檢測到glutamine synthetase 6(gln6)、heat shock protein 26(hsp26)和heat shock protein(hsp70) 3個候選基因,其中gln6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)處檢測到1個同時調控產(chǎn)量和10株穗數(shù)的 mQTL, 說明 Bin 1.03附近是調控玉米多個穗部性狀及產(chǎn)量的重要“一因多效”或富集位點,在不同水分環(huán)境下通過協(xié)調調控單株穗數(shù)、單穗重、穗軸重、出籽率和穗長等的發(fā)育, 影響玉米產(chǎn)量的形成。于umc2025-umc1395 (Bin 1.05)處存在1個同時調控單穗重、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個調控出籽率的sQTL, 暗示Bin 1.05處可能是調控玉米穗部性狀的重要富集區(qū)域, 可能包含調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個調控出籽率的 sQTL, 于 bnlg1025-mmc0041 (Bin 1.07-1.08)處存在1個同時調控單穗重、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個調控出籽率的sQTL。張偉強等[32]在Bin 1.07 (umc2236)附近定位到 1個調控出籽率的主效 QTL。Li等[33]也在Bin 1.07-1.08 (bnlg1556-phi039)區(qū)間檢測到1個同時調控穗長和行粒數(shù)的mQTL, Wang等[34]也在Bin 1.07處檢測到1個調控產(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。于umc2041-umc2188 (Bin 4.08)處挖掘到1個同時調控單穗重、穗粒重、百粒重和穗長的sQTL。多個水旱環(huán)境下Zhao等[2]在Bin 4.08 (umc2041-umc2287)處檢測到1個同時調控單穗重、穗軸重、百粒重和穗長的sQTL, 進一步分析在umc2287附近發(fā)掘到1個調控穗軸重的 mQTL, 并預測到 1個H+-ATPase基因。于umc2040-bnlg1174a (Bin 6.05)處檢測到1個同時調控穗粒重、百粒重、出籽率和穗長的sQTL。趙小強等[12]在同一區(qū)間的 umc2040-bnlg1174處還檢測到1個調控雌穗個數(shù)的sQTL。利用meta分析法, Wang等[34]在Bin 6.05處也檢測到了2個同時調控雌穗個數(shù)、穗粒重和產(chǎn)量的mQTLs, 以及1個調控玉米雌雄穗發(fā)育的iguleless3(Ig3)基因。于umc1120-umc2346 (Bin 9.04-9.06)處存在 1個同時調控單穗重、穗軸重、穗粒重、百粒重和穗長的sQTL。Zhao等[2]、趙小強等[12]和蘭進好等[35]也在此區(qū)間內同樣檢測到多個調控單穗重、穗軸重、穗長、百粒重、穗行數(shù)和穗粒重的QTL。另外, 本研究還檢測到2個新的sQTL, 位于bnlg1018 (Bin 2.04)附近的調控穗長,位于umc2216-umc1072 (Bin 5.06-5.07)處的同時調控單穗重和穗粒重, 這2個Bin位點可為干旱脅迫環(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

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結果不盡相同。本研究中也存在類似的研究結果, 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群體在多年多點的聯(lián)合分析中只檢測到8個穗部性狀(分別為 1、2和5個穗行數(shù)、穗長和穗粒重) QTL×E (P＜ 0.05)位點, 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位點能在多個環(huán)境中被檢測到,如位于Bin 1.01-1.03 (umc2224-bnlg1484)區(qū)間調控穗軸重的 QTL, 能在 LTPOP群體的 E1、E2、E3和E4等 4種環(huán)境下被檢測到, 又同時與 E2環(huán)境存在較強的互作關系, 還在 CTPOP群體的 E5、E6和 E8等3種環(huán)境下被檢測到, 又同時與E6和E8等環(huán)境存在較強的互作關系, 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)間調控穗粒重的 QTL, 在LTPOP群體的E3和E4等兩種環(huán)境下被檢測到, 又同時與 E2和 E4等環(huán)境存在較強的互作關系, 還在CTPOP群體中與 E5和E6等環(huán)境存在較強的互作關系, 其平均主效h2A為5.00%, 遠大于其平均h2AE的2.86%。這與譚巍巍等[37]的研究結果類似, 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, 又同時與 3種環(huán)境存在顯著的互作關系。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要體現(xiàn)在2個方面[38-39],一是可能QTL本身的表型貢獻率較大, 易在不同環(huán)境中被檢測到, 二是可能存在較強的 QTL×E, 顯著影響QTL在不同環(huán)境中的檢測結果。對于這些既能在多環(huán)境下被檢測到又同時與環(huán)境存在顯著互作的QTL, 能否成為分子標記輔助選擇或圖位克隆的候選染色體區(qū)段, 關鍵在于這些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。

3.4 玉米穗部性狀QTL的上位性互作效應

Hagiwara等[40]指出 QTL的上位性互作效應是復雜數(shù)量性狀遺傳和雜種優(yōu)勢形成的重要遺傳基礎。常立國等[41]采用 178×K12構建 1套 RILs群體檢測到15對調控出籽率的AA上位性QTL。譚巍巍等[37]利用掖 478×黃早 4和齊 319×黃早四構建 2套F2：3群體檢測到 18對調控穗長、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 2套 F2：3群體的 6個穗部性狀在 8種不同水分環(huán)境下檢測到17對AA/AD上位性QTL。綜合分析這些研究結果發(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間的內在關系, 并在遺傳中可能與主效QTL發(fā)揮同等重要的作用。因此,今后應在更為豐富的遺傳背景下有效地檢測和利用穗部性狀上位性 QTL, 為玉米穗部性狀分子遺傳機制剖析提供有益參考。

4 結論

干旱脅迫下玉米的 6個穗部性狀均顯著降, 降低程度為穗軸重＞百粒重＞穗長＞穗粒重＞單穗重＞出籽率, 表明穗軸重、百粒重和穗長的下降是導致玉米產(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、穗長呈明顯的正向超親優(yōu)勢,而出籽率表現(xiàn)為較弱的正向超親優(yōu)勢, 其雜種優(yōu)勢表現(xiàn)為穗粒重＞單穗重＞穗軸重＞穗長＞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個穗部性狀QTL, 其中干旱脅迫環(huán)境下檢測到 38個, 且在2套F2：3群體多個干旱脅迫環(huán)境下檢測到10個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個穗部性狀聯(lián)合QTL, 其中24個表現(xiàn)顯著的QTL×E, 17對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的復雜性。今后應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制, 應用于玉米分子育種。