殷芳冰 李雅楠 鮑建喜 馬雅杰 秦文萱 王銳璞 龍 艷, 李金萍 董振營,,* 萬向元,,*

玉米雌穗產(chǎn)量相關(guān)性狀全基因組關(guān)聯(lián)分析與候選基因鑒定

殷芳冰1李雅楠1鮑建喜1馬雅杰1秦文萱1王銳璞1龍 艷1,2李金萍2董振營1,2,*萬向元1,2,*

1北京科技大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)研究中心 / 化學(xué)與生物工程學(xué)院 / 順德研究生院 / 北京中智生物農(nóng)業(yè)國際研究院, 北京 100083;2北京首佳利華科技有限公司 / 主要作物生物育種北京市工程實驗室 / 生物育種北京市國際科技合作基地, 北京 100192

玉米雌穗產(chǎn)量相關(guān)性狀直接影響玉米最終產(chǎn)量, 解析其遺傳機制可為玉米高產(chǎn)提供有益指導(dǎo)。本研究以733份玉米自交系作為關(guān)聯(lián)群體, 在2個環(huán)境下隨機區(qū)組種植, 調(diào)查穗行數(shù)(KRN)、穗長(EL)和穗粗(ED) 3個產(chǎn)量相關(guān)性狀, 利用MaizeSNP3072芯片對其進行基因分型, 采用FarmCPU模型進行全基因組關(guān)聯(lián)分析, 分別鑒定出16、13和24個與3個性狀顯著關(guān)聯(lián)的單核苷酸多態(tài)性位點(SNP), 對表型變異的解釋率分別為0.01%～7.08%、0.01%～5.34%和0.07%～4.34%。其中, 分別有6、2和5個與3個性狀存在顯著關(guān)聯(lián)的高可信度(high confidence, HC) SNP, 而且有2個HC-SNP同時與KRN和ED顯著相關(guān), 1個KRN HC-SNP和3個ED HC-SNP為本研究首次報道。在所鑒定HC-SNP上下游200 kb范圍內(nèi)篩選出33個重要候選基因, 其中9號染色體SNP標(biāo)記PZE-109003046所在基因為控制生長素極性運輸從而調(diào)控雌穗性狀的已知基因。另一些候選基因編碼不同轉(zhuǎn)錄因子, 以及參與生長素、赤霉素和乙烯等激素介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、DNA甲基化和蛋白磷酸化等翻譯后修飾過程的蛋白, 可能從不同方面調(diào)控雌穗相關(guān)性狀。本研究所挖掘的11個HC-SNP與33個候選基因可以為進一步克隆雌穗性狀功能基因、揭示相關(guān)分子調(diào)控機制以及利用分子標(biāo)記輔助選擇育種提供有益指導(dǎo)。

玉米; 雌穗產(chǎn)量相關(guān)性狀; 全基因組關(guān)聯(lián)分析; 候選基因

玉米雌穗是重要的生殖器官, 也是產(chǎn)量形成要素的決定因子之一。玉米雌穗性狀屬于典型多基因控制的數(shù)量性狀, 其遺傳力較高, 穗行數(shù)(kernel row number, KRN)、穗長(ear length, EL)、穗粗(ear diameter, ED)等各子性狀之間存在相關(guān)性, 共同影響玉米產(chǎn)量[1]。因此, 解析玉米雌穗性狀遺傳結(jié)構(gòu)和挖掘雌穗性狀重要調(diào)控位點和基因?qū)μ岣哂衩桩a(chǎn)量具有重要意義。

隨著分子標(biāo)記與高通量測序技術(shù)的快速發(fā)展, QTL (quantitative trait locus)定位和全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study, GWAS)已成為解析玉米雌穗性狀遺傳機制的重要方法, 目前利用2種方法已經(jīng)定位出多個調(diào)控穗行數(shù)、穗長、穗粗等性狀的遺傳位點[2-4]。如Li等[5]利用農(nóng)系531和H21為親本構(gòu)建的染色體片段代換系(chromosome segment substitution lines, CSSL)和691個SSR分子標(biāo)記,共檢測到11個調(diào)控穗行數(shù)的QTL位點, 其中單個QTL可解釋9.87%～19.44%的表型變異。Choi等[6]使用HF1和11S6169構(gòu)建的雙單倍體(doubled haploid, DH)群體進行QTL定位, 共鑒定出2個調(diào)控穗長和1個調(diào)控穗粗的QTL位點, 解釋表型變異的12.48%～38.08%。Zhou等[7]利用F2:3群體、四交群體和關(guān)聯(lián)群體對穗長性狀進行QTL定位和GWAS分析,共鑒定出14個QTL位點和4個SNP位點。Zhang等[8]以B73×Mo17 (IBM) Syn10 DH群體和關(guān)聯(lián)群體為材料, 利用QTL定位和GWAS方法, 分別鑒定出11、13和21個控制穗粗、穗長和穗行數(shù)的QTL位點以及16、13和14個與穗粗、穗長和穗行數(shù)顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點。Xu等[9]以339個玉米自交系作為關(guān)聯(lián)群體, 利用GEMMA (genome-wide efficient mixed model association)和LASSO (least absolute shrinkage and selection operator)算法進行GWAS分析, 共鑒定出3個與穗行數(shù)顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點, 單個SNP位點可解釋0.40%～9.69%的表型變異。Li等[10]利用121份玉米自交系組成的關(guān)聯(lián)群體進行GWAS分析, 在2個環(huán)境共鑒定出84個與穗長顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點, 其中5個SNP位點在2個環(huán)境中均能檢測到。這些研究為解析玉米雌穗性狀的遺傳結(jié)構(gòu)奠定了重要基礎(chǔ)。

雖然目前已有雌穗性狀遺傳位點挖掘相關(guān)研究開展, 但是各研究所選用的群體、標(biāo)記及分析方法不同, 所鑒定出的位點也存在顯著差異, 因此仍需進一步深入開展玉米雌穗性狀遺傳結(jié)構(gòu)研究。本研究選取具有廣泛表型多樣性的733份玉米自交系作為關(guān)聯(lián)群體, 利用MaizeSNP3072芯片[11]基因型數(shù)據(jù)對玉米穗行數(shù)、穗長和穗粗性狀展開全基因組關(guān)聯(lián)分析, 深入挖掘調(diào)控上述雌穗性狀的重要遺傳位點并鑒定其優(yōu)異等位變異, 為利用分子標(biāo)記輔助選擇進行玉米雌穗性狀遺傳改良及精細(xì)定位與克隆雌穗性狀關(guān)鍵基因提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與田間設(shè)計

試驗材料為由北京科技大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)研究中心所保存的包含733份表型變異較為豐富的玉米自交系。分別在2019年夏和2020年夏種植于北京平谷, 采用隨機區(qū)組設(shè)計, 每個自交系種植2行, 行長6 m, 行距0.6 m, 株距0.2 m, 每行30株, 種植期間按照正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行田間管理。

1.2 雌穗性狀表型測定與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

植株生理成熟后, 在每份玉米自交系穗行中間隨機收取5個果穗[9,12-14], 利用自動化果穗考種儀(YTS-MET, 谷豐光電)進行穗行數(shù)、穗長和穗粗等雌穗性狀測量。將采集到的表型數(shù)據(jù)利用SPSS軟件進行描述性統(tǒng)計分析和聯(lián)合方差分析, 利用R語言“PerformanceAnalytics”軟件包進行頻率直方圖分析和相關(guān)性分析, 利用R語言“l(fā)me4”軟件包計算廣義遺傳力和最佳線性無偏預(yù)測值(best linear unbiased prediction, BLUP)。

1.3 基因型鑒定和分析

利用MaizeSNP3072芯片[11]對733份玉米自交系進行基因型鑒定, 利用PLINK軟件去除最小等位基因頻率(minor allele frequency, MAF) < 0.05, 缺失率(missing rate) > 20%的位點, 最終篩選出2799個高質(zhì)量SNP用于后續(xù)全基因組關(guān)聯(lián)分析。

1.4 親緣關(guān)系與主成分分析

利用Tassel 5.0軟件Centered_IBS方法進行親緣關(guān)系計算, 使用R語言“heatmap”軟件包進行親緣關(guān)系圖繪制。利用PLINK軟件進行主成分分析(principal components analysis, PCA), 并使用R語言“ggplot2”軟件包進行PCA圖繪制。

1.5 全基因組關(guān)聯(lián)分析

使用R語言“GAPIT”軟件包的FarmCPU模型, 在考慮研究材料群體結(jié)構(gòu)與親緣關(guān)系因素下進行SNP標(biāo)記與穗行數(shù)、穗長和穗粗的關(guān)聯(lián)分析。在< 0.0001的水平上, 判定SNP標(biāo)記與穗行數(shù)、穗長和穗粗關(guān)聯(lián)的顯著性, 顯著標(biāo)記的表型變異解釋率(phenotypic variance explained, PVE)利用線性回歸的方法進行計算[15]。

1.6 候選基因預(yù)測

根據(jù)MaizeGDB數(shù)據(jù)庫(http://www.maizegdb. org/gbrowse) B73參考基因組(B73 RefGenv4)序列信息, 獲取顯著關(guān)聯(lián)SNP上下游200 kb范圍內(nèi)基因作為玉米雌穗性狀候選基因。在Uniprot蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(https://www.uniprot.org/uniprot)對候選基因進行注釋及功能預(yù)測。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米雌穗性狀表型統(tǒng)計分析

通過調(diào)查2個環(huán)境表型數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)穗行數(shù)在2019年和2020年變異范圍分別為8.00～21.33和8.40～24.40, 穗長變異范圍分別為6.78～21.83 cm和8.34～21.03 cm, 穗粗變異范圍分別為3.11～5.67 cm和3.09～5.83 cm (表1)。表明本關(guān)聯(lián)群體穗行數(shù)、穗長和穗粗表型變異范圍較大, 表型多樣性較為豐富。各性狀偏度和峰度絕對值均小于1 (表1), 結(jié)合頻率直方圖(圖1), 顯示3個性狀均呈現(xiàn)正態(tài)分布,符合典型的數(shù)量性狀特征。各性狀表型數(shù)據(jù)在不同年份間呈現(xiàn)顯著相關(guān)(= 0.48～0.67,< 0.001), 同時發(fā)現(xiàn)穗行數(shù)和穗粗之間呈現(xiàn)正向顯著相關(guān)(= 0.39～0.63,< 0.001) (圖1)。穗行數(shù)、穗長和穗粗遺傳力分別為0.80、0.65和0.79 (表1), 聯(lián)合方差分析顯示關(guān)聯(lián)群體基因型間存在極顯著差異, 不同環(huán)境間和基因型與環(huán)境互作也存在極顯著差異(表2)。表明盡管雌穗性狀遺傳力較高, 但也受部分環(huán)境因素的影響, 其中環(huán)境因素對穗長表型影響最大。

2.2 親緣關(guān)系與主成分分析

利用PLINK進行主成分分析, 發(fā)現(xiàn)733份玉米自交系主要分為3個組分, 基本上對應(yīng)了玉米自交系常見的3個亞群, 即分別為以自交系B73為代表的堅稈群體(stiff stick, SS), 自交系鄭58 (Zheng 58)為代表的非堅稈群體(non-stiff stick, NSS), 自交系昌7-2 (Chang 7-2)為代表的黃早四群體(HZS) (圖2-a)。前2個主成分能夠清晰的區(qū)分3個亞群, 第1個主成分反映了SS和HZS的分化, 第2個主成分反映了NSS和SS或HZS的分化。因此后續(xù)利用主成分分析產(chǎn)生的Q矩陣作為協(xié)變量進行關(guān)聯(lián)分析。利用Tassel進行kinship計算發(fā)現(xiàn)大部分材料親緣關(guān)系系數(shù)為–0.5～0.5, 表明無明顯親緣關(guān)系或存在較弱的親緣關(guān)系; 僅有極少部分材料親緣關(guān)系系數(shù)為0.5～1.0 (圖2-b), 后續(xù)利用親緣關(guān)系分析計算出的K矩陣作為協(xié)變量進行關(guān)聯(lián)分析。

圖1 不同環(huán)境間穗行數(shù)、穗長和穗粗相關(guān)性分析和頻率直方圖

圖中對角線表示穗行數(shù)、穗長和穗粗在2019年北京和2020年北京環(huán)境的頻率直方圖, 左下表示穗行數(shù)、穗長和穗粗在不同環(huán)境下的散點圖, 右上表示相關(guān)性系數(shù)。**、***分別表示在< 0.01、0.001水平上差異顯著。KRN、EL和ED分別表示穗行數(shù)、穗長和穗粗。

The diagonal line and lower left show the frequency histogram and scatter diagram of KRN, EL, and ED traits in different environments, respectively. The upper right shows the correlation coefficients between different traits.**and***indicate significance at< 0.01 and< 0.001, respectively.KRN, EL, and ED represent kernel row number, ear length, and ear diameter, respectively.

表1 穗行數(shù)、穗長和穗粗表型數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

KRN、EL和ED處理縮寫同圖1。

Abbreviations of KRN, EL, and ED are the same as those given in Fig. 1.

表2 穗行數(shù)、穗長和穗粗多環(huán)境聯(lián)合方差分析

KRN、EL和ED處理縮寫同圖1。

Abbreviations of KRN, EL, and ED are the same as those given in Fig. 1.

圖2 733份玉米自交系主成分分析(a)與親緣關(guān)系分析(b)

HZS、NSS和SS分別表示黃早四群體、非堅稈群體和堅稈群體。

HZS, NSS, and SS represent the heterotic groups of Huangzaosi, non-stiff stick, and stiff stick, respectively.

2.3 玉米雌穗性狀全基因組關(guān)聯(lián)分析

利用2799個SNP標(biāo)記分別對2019年和2020年穗行數(shù)、穗長、穗粗表型數(shù)據(jù)及其BLUP值進行全基因組關(guān)聯(lián)分析, QQ-plot顯示關(guān)聯(lián)分析所選取的統(tǒng)計模型較為合理, 分別檢測到16、13和24個與穗行數(shù)、穗長、穗粗性狀顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點(圖3和附表1)。穗行數(shù)表型顯著關(guān)聯(lián)SNP位點分布在玉米8條染色體, 在4號、6號和8號染色體各檢測到3個, 在7號和9號染色體各檢測到2個, 在3號、5號和10號染色體各檢測到1個; 單個位點表型變異解釋率為0.01%～7.08%, 其中表型解釋率最高的位點為4號染色體的PZE-104126211 (附表1)。穗長表型顯著關(guān)聯(lián)SNP位點分布在玉米6條染色體,在8號染色體檢測到最多, 為4個; 其次為4號染色體, 為3個; 在2號和5號染色體各檢測到2個, 在1號和6號染色體各檢測到1個; 單個位點表型變異解釋率為0.01%～5.34%, 其中表型解釋率最高的位點為8號染色體的PZE-108133100 (附表1)。穗粗表型顯著關(guān)聯(lián)SNP位點在玉米10條染色體均有分布, 其中4號染色體最多, 為6個, 在1號、3號、6號、8號和10號染色體分布最少, 均為1個; 單個位點表型變異解釋率為0.07%～4.34%, 表型解釋率最高的位點為3號染色體的PZE-103087199 (附表1)。

圖3 玉米穗行數(shù)、穗長、穗粗GWAS曼哈頓圖(a, c, e)與QQ-plot圖(b, d, f)

BLUP表示最佳線性無偏預(yù)測值。KRN、EL和ED處理縮寫同圖1。

BLUP represents best linear unbiased prediction. Abbreviations of KRN, EL, and ED are the same as those given in Fig. 1.

進一步分析發(fā)現(xiàn)可被2次及以上獨立關(guān)聯(lián)分析檢測到的穗行數(shù)、穗長和穗粗顯著關(guān)聯(lián)SNP分別為6、2和5個, 這些SNP針對相應(yīng)性狀可被多次顯著關(guān)聯(lián), 屬于高可信度(high confidence, HC) SNP, 其中HC-SNP標(biāo)記PZE-107116723在所有3次獨立穗行數(shù)關(guān)聯(lián)分析中均顯著關(guān)聯(lián), 且該位點為本研究首次報道(表3)。3個HC-SNP位點, 即4號染色體PZE-104093153、PZE-104126211和5號染色體SYN32729同樣為本研究首次報道與穗粗顯著相關(guān)。4號染色體HC-SNP位點PZE-104126211和6號染色體HC-SNP位點SYN4194與穗行數(shù)和穗粗性狀同時顯著關(guān)聯(lián), 屬于一因多效位點。PZE-104126211是本研究所檢測對穗行數(shù)表型貢獻率最高的位點, 為7.08%, 該位點對穗粗的表型貢獻率為0.66%; SYN4194位點在穗粗中的表型貢獻率為2.66%, 在穗行數(shù)中的表型貢獻率為0.72% (表3)。

綜上, 本研究關(guān)聯(lián)到11個與雌穗性狀顯著關(guān)聯(lián)的HC-SNP, 其中有2個HC-SNP與穗行數(shù)和穗粗同時顯著關(guān)聯(lián), 并鑒定出1個穗行數(shù)和3個穗粗HC-SNP新位點(表3)。

2.4 候選基因分析

從以上11個與穗行數(shù)、穗長和穗粗顯著關(guān)聯(lián)的HC-SNP位點上下游200 kb范圍內(nèi)進行候選基因篩選, 結(jié)合基因功能注釋和前人文獻報道, 共鑒定出33個重要候選基因(表3)。經(jīng)統(tǒng)計, 33個候選基因中8個為轉(zhuǎn)錄因子編碼基因, 3個為生長素相關(guān)基因(表3)。其中穗粗性狀顯著關(guān)聯(lián)SNP位點PZE-109003046候選基因()為編碼PIN蛋白的調(diào)控雌穗性狀的已知基因, 在生長素極性運輸中發(fā)揮重要作用[16-17]。與穗行數(shù)和穗粗性狀均顯著關(guān)聯(lián)的SYN4194位點攜帶編碼Auxin response factor (ARF)的候選基因, 穗行數(shù)和穗粗均顯著關(guān)聯(lián)位點PZE-104126211候選基因編碼C2H2鋅指蛋白(C2H2-like zinc finger protein), 穗粗顯著關(guān)聯(lián)SNP位點SYN32729候選基因編碼bHLH轉(zhuǎn)錄因子(Transcription factor bHLH157), 暗示這些已被大量研究證明在植物生長發(fā)育中發(fā)揮重要作用的轉(zhuǎn)錄因子可能對雌穗發(fā)育同樣具有重要調(diào)控作用。

同時發(fā)現(xiàn)一些候選基因編碼表觀遺傳修飾、蛋白翻譯后修飾等相關(guān)蛋白。如穗行數(shù)顯著關(guān)聯(lián)SNP位點PZA03608.2候選基因編碼DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyl transferase)。調(diào)控穗行數(shù)和穗粗的SYN4194位點候選基因編碼非特異性絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。

2.5 重要位點優(yōu)異等位變異鑒定和表型效應(yīng)分析

PZE-107116723為本研究所鑒定穗行數(shù)相關(guān)HC-SNP新位點, 在穗行數(shù)性狀所有獨立分析中均被顯著關(guān)聯(lián), 推測該位點攜帶可在不同環(huán)境下穩(wěn)定調(diào)控穗行數(shù)的重要基因。在本研究自交系群體中, 151份材料在該位點攜帶A/A基因型, 545份材料在該位點攜帶G/G基因型, 其余37份材料在該位點基因型缺失。發(fā)現(xiàn)該位點攜帶A/A基因型材料比攜帶G/G基因型材料2個年份穗行數(shù)分別平均增加0.86行和1.04行, 差異達均到極顯著水平(<0.001), 因此鑒定A/A基因型是該位點的優(yōu)異等位變異, 該等位變異對穗長和穗粗性狀沒有顯著影響(圖4-a)。PZE-104093153、SYN32729和PZE-104126211為本研究首次鑒定與穗粗顯著關(guān)聯(lián)的HC-SNP位點, 發(fā)現(xiàn)PZE-104093153位點A/A優(yōu)異等位變異僅顯著增加穗粗(圖4-b), SYN32729位點G/G優(yōu)異等位變異則同時顯著提高穗行數(shù)(圖4-c), 表明SYN32729位點可能是潛在的一因多效位點。HC-SNP標(biāo)記PZE-104126211和SYN4194與穗行數(shù)和穗粗性狀均顯著關(guān)聯(lián)(圖3和表3), PZE-104126211位點攜帶A/A優(yōu)異等位變異材料比攜帶G/G等位變異材料的穗行數(shù)性狀在2個年份分別增加0.86行和1.14行, 差異均達到極顯著水平; 穗長分別增加0.11 cm和0.54 cm, 在2020年差異達到極顯著水平; 穗粗則在2個環(huán)境中分別增加0.01 cm和0.06 cm, 在2020年差異達到顯著水平(圖4-d)。SYN4194位點G/G優(yōu)異等位變異分別比A/A等位變異的穗粗在2個環(huán)境中分別增加0.12 cm和0.10 cm, 差異均達到極顯著水平; 穗長在2個環(huán)境中分別增加0.45 cm和0.39 cm, 差異均達到顯著水平; 穗行數(shù)分別增加0.35行和0.34行, 在2019年環(huán)境差異達到顯著水平(圖4-e)。表明PZE-104126211和SYN4194位點可能攜帶同時對穗行數(shù)、穗長、穗粗均具有調(diào)控作用的重要基因。

3 討論

3.1 雌穗性狀GWAS比較分析與重要位點優(yōu)異等位變異鑒定

本研究利用2799個SNP標(biāo)記和733份玉米自交系雌穗性狀進行全基因組關(guān)聯(lián)分析, 共鑒定出16 個與穗行數(shù)、13個與穗長和24個與穗粗性狀顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點, 表型變異解釋率分別為0.01%～7.08%、0.01%～5.34%和0.07%～4.34%, 與馬娟等[18]結(jié)果較為相似, 表明微效多基因調(diào)控可能是雌穗性狀遺傳機制之一。其中11個位點在多次獨立關(guān)聯(lián)分析分別與相應(yīng)雌穗性狀顯著關(guān)聯(lián), 屬于HC-SNP; HC-SNP位點PZE-104126211和SYN4194則同時與穗行數(shù)和穗粗性狀顯著關(guān)聯(lián), 屬于一因多效位點(表3)。

圖4 顯著關(guān)聯(lián)SNP位點等位變異表型效應(yīng)分析

Fig. 4 Phenotypic effect analysis of the allelic variation in associated loci

NS表示> 0.05,*、**和***分別表示0.05、0.01和 0.001水平差異顯著。KRN、EL和ED處理縮寫同圖1。

NS:> 0.05.*,**, and***indicate significance at the 0.05, 0.01, and 0.001 probability levels, respectively. Abbreviations of KRN, EL, and ED are the same as those given in Fig. 1.

在前期研究中, 我們通過系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外雌穗性狀遺傳定位研究進展, 鑒定出了雌穗性狀QTL和SNP熱點區(qū)間[19]。在6個與穗行數(shù)顯著關(guān)聯(lián)的HC-SNP位點中, 7號染色體PZE-107116723位點為本研究首次鑒定, 其余5個位點位于已知穗行數(shù)QTL區(qū)間, 其中4個位點位于我們所鑒定穗行數(shù)QTL定位熱點區(qū)間[19]。如3號染色體206.99 Mb的PZE-103149597同時分別位于Lu等[20]、Karen等[21]和Tian等[22]所定位的穗行數(shù)QTL bnlg197– umc1844、umc1659–umc1320及umc1135–umc1140區(qū)間, 同時也位于我們所鑒定穗行數(shù)QTL熱點區(qū)間3號染色體203.609～210.466 Mb[19]。4號染色體59.70 Mb的PZE-104041818與Liu等[23]定位的穗行數(shù)QTL umc1117–umc1791區(qū)間、Ma等[24]定位的穗行數(shù)QTL phi079–umc1896區(qū)間相吻合, 同時也位于穗行數(shù)QTL熱點區(qū)間4號染色體46.784～64.228 Mb[19]。4號染色體208.73 Mb的PZE-104126211位點位于已知穗行數(shù)QTL umc2188–umc1101[20]、bnlg2162–umc1284[23]、umc1371–bnlg1023[25]、umc2286–umc1503[25]、umc1173–umc2286[26]區(qū)間內(nèi), 并且位于穗行數(shù)QTL熱點區(qū)間4號染色體200.053～208.887 Mb內(nèi)[19]。SYN4194位于6號染色體162.81 Mb, 與Brown等[27]通過GWAS關(guān)聯(lián)到的穗行數(shù)相關(guān)SNP位點僅相差約15 kb; 位于Liu等[23]定位的穗行數(shù)QTL umc1020– umc1296和umc1859–umc1248區(qū)間、Huo等[28]定位的穗行數(shù)QTL umc1805–umc1296區(qū)間內(nèi), 也位于我們所鑒定穗行數(shù)QTL熱點區(qū)間6號染色體158.522～ 166.027 Mb內(nèi)[19]; PZA03608.2位于8號染色體146.86 Mb, 與Liu等[23]定位的穗行數(shù)QTL bnlg2181– umc2199相吻合。這些位點可被不同研究反復(fù)驗證, 暗示所關(guān)聯(lián)區(qū)間攜帶可在不同環(huán)境穩(wěn)定調(diào)控雌穗性狀的重要基因。

2個與穗長顯著關(guān)聯(lián)的HC-SNP位點均位于已定位穗長QTL區(qū)間, 如1號染色體208.33 Mb的SNP位點PZE-101162306位于Zhou等[7]定位的穗長QTL umc1590–bnlg1556區(qū)間。4號染色體193.37 Mb的SNP位點PZE-104113905則位于Karen等[21]定位的穗長QTL bnlg2291–umc1989區(qū)間內(nèi)。5個與穗粗顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點中, 6號染色體162.81 Mb的SNP位點SYN4194與Zhang等[8]和Yang等[29]通過GWAS鑒定的穗粗顯著關(guān)聯(lián)SNP位點物理距離分別為0.45 Mb和 0.47 Mb。9號染色體3.29 Mb的SNP位點PZE-109003046存在已知基因。雖然PZE-104126211位于穗行數(shù)QTL熱點區(qū)間[19], 但尚無與穗粗性狀共定位的報道, 因此與PZE- 104093153和SYN32729同屬于本研究所首次鑒定穗粗性狀顯著關(guān)聯(lián)位點。

挖掘重要遺傳位點優(yōu)異等位變異是利用分子標(biāo)記輔助選擇育種的首要條件之一。本研究對所關(guān)聯(lián)新位點及一因多效位點進行表型效應(yīng)分析, 發(fā)現(xiàn)攜帶不同等位變異材料間表型差異顯著, 進而鑒定出了相應(yīng)位點優(yōu)異等位變異(圖4)。我們同時發(fā)現(xiàn)一些位點可能攜帶可以協(xié)同改良玉米雌穗性狀的關(guān)鍵基因, 如HC-SNP標(biāo)記PZE-104126211和SYN4194與穗行數(shù)和穗粗性狀均顯著關(guān)聯(lián), 表型效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)2個位點均同時顯著影響穗長性狀(圖4-d, e), 選擇其A/A和G/G優(yōu)異等位變異有望同時對穗行數(shù)、穗長和穗粗性狀進行協(xié)同改良。GWAS顯示SYN32729與穗粗顯著關(guān)聯(lián)(圖3), 其優(yōu)異等位變異G/G可同時顯著提高穗行數(shù)(圖4-c), 表明利用該位點可對穗粗和穗行數(shù)性狀進行協(xié)同改良。

3.2 候選基因鑒定與分析

在前期研究中, 我們系統(tǒng)總結(jié)了調(diào)控玉米雌穗性狀的重要已知基因和分子作用機制, 發(fā)現(xiàn)CLAVATA-WUSCHEL負(fù)反饋循環(huán)信號途徑、RAMOSA途徑、激素合成與代謝及一些重要轉(zhuǎn)錄因子和蛋白激酶對雌穗發(fā)育發(fā)揮重要作用[19]。我們結(jié)合數(shù)據(jù)庫基因功能注釋、文獻分析和雌穗基因表達分析, 在本研究所挖掘11個與穗行數(shù)、穗長和穗粗顯著關(guān)聯(lián)的HC-SNP位點上下游200 kb區(qū)間鑒定出33個重要候選基因(表3)。與穗粗顯著關(guān)聯(lián)的9號染色體PZE-109003046位點候選基因為調(diào)控雌穗性狀的已知基因, 該基因編碼的PIN蛋白為生長素運輸?shù)妮d體組分, 在生長素極性運輸中發(fā)揮重要作用,突變導(dǎo)致雌穗小花減少、畸形甚至禿稈[16-17]。本研究關(guān)聯(lián)到攜帶雌穗性狀重要已知調(diào)控基因的SNP位點, 表明關(guān)聯(lián)分析結(jié)果較為可靠。

目前所鑒定與雌穗發(fā)育相關(guān)激素調(diào)控基因主要與生長素相關(guān), 如生長素合成相關(guān)基因()[30]和()[31]、生長素運輸和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因()[32]和()[33-34]等。本研究亦同時在多個位點鑒定到生長素相關(guān)基因。如與穗行數(shù)和穗粗性狀均顯著關(guān)聯(lián)的4號染色體PZE-104126211位點候選基因編碼Auxin transporter-like蛋白, 同時該位點對穗行數(shù)表型解釋率最高; 與穗行數(shù)和穗粗性狀均顯著關(guān)聯(lián)的6號染色體SYN4194位點候選基因編碼Auxin response factor (ARF), 該類蛋白可與生長素反應(yīng)啟動子元件(AuxRE)結(jié)合進而調(diào)控下游基因表達[35]。此外, SYN4194位點同時攜帶編碼赤霉素合成相關(guān)基因, 3號染色體PZE-103149597位點攜帶編碼乙烯信號響應(yīng)相關(guān)基因。已有報道顯示赤霉素和乙烯均可調(diào)控玉米雌穗性狀[19], 推測上述2個基因可能在玉米雌穗發(fā)育中發(fā)揮重要作用。

轉(zhuǎn)錄因子是一類能與基因5'端上游特定序列專一性結(jié)合, 可調(diào)控下游基因在特定時空以特定強度表達的蛋白分子。已報道有多個轉(zhuǎn)錄因子編碼基因與雌穗性狀相關(guān), 如編碼bHLH轉(zhuǎn)錄因子的()基因可以協(xié)同調(diào)節(jié)生長素合成和運輸相關(guān)基因, 進而調(diào)控玉米腋生分生組織和側(cè)生器官的形成和玉米雌穗的發(fā)育[36]。C2H2鋅指蛋白編碼基因()則為調(diào)控玉米花序分枝的RAMOSA途徑中關(guān)鍵成員,在初生分生組織基部附近的邊界區(qū)表達, 影響SPM的確定性,突變后雌穗產(chǎn)生額外的長分枝[37]。在本研究33個候選基因中8個為轉(zhuǎn)錄因子編碼基因, 其中4號染色體穗行數(shù)候選基因與5號染色體穗粗候選基因均編碼bHLH轉(zhuǎn)錄因子, 穗行數(shù)和穗粗候選基因編碼C2H2鋅指蛋白。穗粗候選基因編碼AT-hook基序核定位蛋白, 此類蛋白可以與富含AT堿基的DNA序列的結(jié)合來行使功能, 對植物生長發(fā)育具有重要的調(diào)控作用[38]。在雌穗形成過程中發(fā)揮重要作用的已知基因()即編碼AT-hook蛋白, 該基因突變導(dǎo)致雌穗停止發(fā)育或果穗較短, 穗行排列不規(guī)則, 因而對玉米雌穗性狀產(chǎn)生顯著影響[39]。

一些具有蛋白翻譯后修飾功能的蛋白編碼基因與雌穗發(fā)育緊密相關(guān), 如調(diào)控花序分生組織發(fā)育的[33-34]和調(diào)控行粒數(shù)的()[40]均編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。本研究調(diào)控穗行數(shù)和穗粗位點SYN4194候選基因編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶, 穗長調(diào)控位點PZE-104113905候選基因編碼注釋為含蛋白質(zhì)激酶結(jié)構(gòu)域的蛋白, 推測這些基因可能對雌穗性狀同樣具有重要調(diào)控作用。

4 結(jié)論

通過對玉米雌穗產(chǎn)量相關(guān)穗行數(shù)、穗長和穗粗性狀全基因組關(guān)聯(lián)分析, 共鑒定出48個顯著關(guān)聯(lián)SNP位點, 其中11個為多次獨立關(guān)聯(lián)分析共定位的HC-SNP位點。其中穗行數(shù)顯著關(guān)聯(lián)HC-SNP位點PZE-107116723、穗粗顯著關(guān)聯(lián)HC-SNP位點PZE- 104093153、PZE-104126211和SYN32729為本研究所首次發(fā)現(xiàn), 這些新位點的挖掘有助于進一步揭示玉米雌穗性狀的遺傳結(jié)構(gòu)。HC-SNP位點PZE- 104126211和SYN4194同時與穗行數(shù)和穗粗表型顯著關(guān)聯(lián), 屬于一因多效位點, 這些位點可能是雌穗產(chǎn)量相關(guān)性狀協(xié)同改良的重要位點。通過評估所鑒定新位點和一因多效位點的遺傳效應(yīng), 鑒定出的相應(yīng)優(yōu)異等位變異可為玉米雌穗性狀遺傳改良及高產(chǎn)分子育種提供有益指導(dǎo)。我們同時發(fā)現(xiàn)10個HC-SNP位點尚無雌穗性狀相關(guān)基因克隆報道, 且部分位點位于我們前期研究所鑒定雌穗性狀遺傳定位熱點區(qū)間, 這些位點可被不同研究所同時定位, 暗示相應(yīng)定位區(qū)間攜帶可在不同環(huán)境穩(wěn)定調(diào)控雌穗性狀的重要基因, 是今后基因克隆和開發(fā)分子標(biāo)記進行輔助育種的重點區(qū)間。本研究進一步鑒定出了33個重要候選基因, 其中1個為調(diào)控雌穗性狀的已知基因, 其他候選基因編碼不同轉(zhuǎn)錄因子, 以及參與生長素、赤霉素和乙烯等激素介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、DNA甲基化和蛋白磷酸化等翻譯后修飾過程的蛋白, 暗示這些基因可能從不同方面調(diào)控雌穗相關(guān)性狀。綜上, 本研究所鑒定重要遺傳位點和候選基因為進一步克隆雌穗產(chǎn)量相關(guān)性狀功能基因、揭示相關(guān)分子調(diào)控機制以及分子育種均具有重要指導(dǎo)意義。

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Genome-wide association study and candidate genes predication of yield related ear traits in maize

YIN Fang-Bing1, LI Ya-Nan1, BAO Jian-Xi1, MA Ya-Jie1, QIN Wen-Xuan1, WANG Rui-Pu1, LONG Yan1,2, LI Jin-Ping2, DONG Zhen-Ying1,2,*, and WAN Xiang-Yuan1,2,*

1Zhongzhi International Institute of Agricultural Biosciences, Shunde Graduate School, School of Chemistry and Biological Engineering, Research Center of Biology and Agriculture, University of Science and Technology Beijing (USTB), Beijing 100083, China;2Beijing Engineering Laboratory of Main Crop Bio-Tech Breeding, Beijing International Science and Technology Cooperation Base of Bio-Tech Breeding, Beijing Solidwill Sci-Tech Co. Ltd., Beijing 100192, China

Ear traits directly affect the final yield of maize, and the analysis of its genetic mechanisms can provide useful guidance for yield enhancement in maize. In this study, 733 maize inbred lines were planted in randomized block designs under two environments, and three yield-related traits, kernel row number (KRN), ear length (EL), and ear diameter (ED), were investigated. Genotyping was performed using MaizeSNP3072 chip and FarmCPU (fixed and random model circulating probability unification) model was used to conduct genome-wide association study (GWAS). 16, 13, and 24 single nucleotide polymorphism (SNP) loci significantly associated with the three traits were identified, and the values of phenotypic variation explained (PVE) for single locus were 0.01%–7.08%, 0.01%–5.34%, and 0.07%–4.34%, respectively. Further, six, two, and five high confidence (HC) SNPs that were repeatedly detected in multiple environments for KRN, EL, and ED were retrieved, among which two SNPs were simultaneously associated with KRN and ED traits, and one KRN HC-SNP and three ED HC-SNPs were firstly reported in this study. By searching 200 kb regions around the 11 HC-SNPs loci, 33 important candidate genes were identified, including a knowngeneregulating ear developmentauxin polar transport located in the confidence interval of chromosome 9 SNP marker PZE-109003046. Other candidate genes encoded transcription factors, hormone (such as auxin, gibberellin, and ethylene) pathway related proteins, DNA methylation, and protein phosphorylation related proteins, which might regulate ear traits by different mechanisms. The 11 HC-SNPs and 33 important candidate genes detected in this study can provide valuable information for further cloning of functional genes and reveal the molecular regulatory mechanisms and marker-assisted selection for ear trait in maize.

maize; yield related ear traits; genome-wide association study (GWAS); candidate gene

10.3724/SP.J.1006.2023.23021

本研究由國家重點研發(fā)計劃項目“農(nóng)業(yè)生物種質(zhì)資源挖掘與創(chuàng)新利用”重點專項( 2021YFD1200700)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2021YFD1200700).

董振營, E-mail: zydong@ustb.edu.cn; 萬向元, E-mail: wanxiangyuan@ustb.edu.cn

E-mail: yinfangbing186@163.com

2022-02-27;

2022-05-05;

2022-05-26.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220525.1950.004.html

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