利用單片段代換系檢測玉米花期相關(guān)性狀QTL

張曉祥，時 夏，孫高陽，張興瑞，陳永強，劉曉陽，李衛(wèi)華

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南鄭州450002)

適宜的開花期是玉米的重要育種目標之一，與玉米最終產(chǎn)量、光周期反應(yīng)特性以及地域與季節(jié)的適應(yīng)性有著密切關(guān)系。在中國重要的玉米產(chǎn)區(qū)——黃淮海夏玉米區(qū)，由于特殊的一年兩熟(小麥－玉米)耕作制度，尤其對夏玉米的開花期、散粉期、開花－散粉間期等相關(guān)性狀有著重要的要求，這些開花期相關(guān)性狀也是培育適宜生產(chǎn)需求的超高產(chǎn)宜機收玉米新品種的重要改良目標，深入研究其遺傳機制和調(diào)控機制將為定向選育玉米新品種提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

玉米開花期的相關(guān)性狀是典型的多基因控制的數(shù)量性狀，并利用 BC1，F(xiàn)2，RIL或DH等初級作圖群體定位了許多影響玉米生育時期的QTL［1－6］。隨著次級作圖群體在農(nóng)作物重要農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀的遺傳機制研究中不斷獲得重要應(yīng)用，染色體單片段代換系(SSSL)群體已經(jīng)成為農(nóng)作物重要性狀遺傳研究的較為理想群體，在玉米、水稻等重要作物的QTL分析和精細定位中獲得廣泛應(yīng)用［7－11］，因其消除了遺傳背景與 QTL之間的互作干擾，只需通過對SSSL與受體表型性狀的差異顯著性分析即可以進行相關(guān)性狀的QTL定位［12－14］。在前期的研究中，構(gòu)建了一套包含105個純合的許178背景的綜3單片段代換系群體，包含74個不重復(fù)代換片段，分布在玉米10條染色體上，覆蓋玉米基因組的47.85%［15］，利用這套群體對玉米開花期相關(guān)性狀的QTL進行分析，共鑒定出47個控制玉米開花期相關(guān)性狀的QTL，包括14個散粉期QTL，16個吐絲期QTL，17個控制散粉－吐絲間期的QTL，其中，1個散粉期的 QTL、2個吐絲期的QTL和4個散粉－吐絲間期的QTL在2種環(huán)境下被重復(fù)檢測到［16］。但是因為該套群體中插入的片段較長，檢測到的重復(fù)QTL數(shù)量較少，為了探索在不同遺傳背景下玉米開花期的遺傳機制，本研究利用構(gòu)建的以優(yōu)良玉米自交系Lx 9801為受體親本、昌7－2為供體親本的另一套單片段代換系群體，在2個環(huán)境條件下對玉米開花期相關(guān)性狀的QTL分析，以期繼續(xù)鑒定出控制玉米開花期相關(guān)性狀的重要QTL，并結(jié)合前期結(jié)果分析它們在不同遺傳背景下的差異表現(xiàn)，同時尋找與這些性狀緊密連鎖的分子標記，為進一步剖析玉米開花期相關(guān)性狀的遺傳機制和基因克隆奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用材料為184個純合的以Lx 9801為遺傳背景的昌7－2染色體單片段代換系(SSSLs)群體，以優(yōu)良玉米自交系Lx 9801為受體親本、昌7－2為供體親本，通過雜交、連續(xù)回交，回交后代自交和SSR(simple sequence repeats)標記跟蹤供體染色體片段的方法篩選而成［17］。

1.2 田間試驗設(shè)計

2013年夏將184個單片段代換系群體和作為對照的2個親本分別種植于河南省長葛市尚官曹村試驗田和鶴壁市農(nóng)科院劉寨試驗田，每個地點設(shè)3個重復(fù)，隨機區(qū)組設(shè)計單行區(qū)，行長3 m，行距和株距分別為0.67 m和0.23 m，每行13株，常規(guī)田間管理。在田間對每一個家系的散粉期和吐絲期分別記載，其中散粉期指從播種至每行50%以上植株雄穗開始散粉的天數(shù)，吐絲期指從播種至每行50%以上植株雌穗吐絲的天數(shù)，散粉－吐絲間期(ASI)是指吐絲期與散粉期相差的天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件，對184份材料的散粉期、吐絲期和散粉－吐絲間期進行表型描述統(tǒng)計和相關(guān)分析［18］。以Lx 9801多個小區(qū)的觀察值合并作為對照，通過方差分析和t測驗比較各代換系花期與受體親本Lx 9801花期的顯著性水平，若代換系的花期與受體親本的花期達到P≤0.05的顯著水平，則認為該單片段代換系中來自于昌7－2代換片段與受體親本Lx 9801相對應(yīng)的染色體片段具有差異效應(yīng)，即存在目標性狀的QTL，參照ESHED［19］的方法估算各QTL的加性效應(yīng)值，加性效應(yīng)值=(SSSL表型值－Lx 9801表型值)/2。

2 結(jié)果與分析

2.1 單片段代換系群體玉米開花期相關(guān)性狀表型分析

從表1可以看出，受體親本自交系Lx 9801和供體昌7－2在同一環(huán)境條件下的相關(guān)性狀存在差異。輪回親本 Lx 9801吐絲較早，散粉較晚，散粉－吐絲間期較長，而供體親本昌7－2的吐絲期和散粉期相對較為接近，散粉－吐絲間期較短，尤其在長葛點表現(xiàn)為同時散粉吐絲;并且花期相關(guān)性狀的表現(xiàn)和試驗環(huán)境存在聯(lián)系，表現(xiàn)為在長葛點雙親的吐絲期和散粉期均晚于浚縣。單片段代換系群體的花期性狀在2個環(huán)境中均存在較大的變異范圍，如?？h吐絲期 50.33 ～56.67 d，散粉期52.33 ～60.00 d，長葛吐絲期 53.00 ～58.67 d，比?？h的吐絲期短，而散粉期相近，其吐絲期和散粉期的平均值在長葛點的均大于?？h點，說明長葛的吐絲期和散粉期比?？h晚。另外，玉米單片段代換系在散粉期、吐絲期及散粉－吐絲間期這3個花期性狀均符合正態(tài)分布，體現(xiàn)出數(shù)量性狀遺傳的特點，可用來進行QTL分析。造成試驗兩點差異的原因可能與兩點間的的氣候條件、播種日期、土壤肥力、光周期等環(huán)境因素有關(guān)。

2.2 玉米花期相關(guān)性狀的QTL分析

利用單片段代換系群體在?？h、長葛兩試驗點玉米花期相關(guān)性狀的表型值與對照受體親本的表表型值進行統(tǒng)計分析，在P＜0.01水平下，在2個試驗地點共檢測到51個玉米花期相關(guān)性狀的QTL(表2)，包括16個吐絲期 QTL、15個散粉期 QTL和20個散粉－吐絲間期QTL。

表1 親本及SSSLs群體生育時期性狀表現(xiàn)Table 1 The performance of flowering related traits for the parents and SSSLs populations

在檢測到的16個吐絲期QTL中，?？h點檢測到8個 QTL，其加性效應(yīng)值范圍為 －1.47～2.2;長葛點檢測到12個 QTL，其加性效應(yīng)值范圍為－1.04～0.63;在兩地點間共重復(fù)檢測到4個一致性 QTL，分別為 qDTS4a(位于 4.01 bin，標記區(qū)間為 umc1017－umc1757－umc2280)，qDTS6a(位于6.00 bin，標 記 區(qū) 間 為 phi075 － bnlg238 －umc2309)，qDTS6b(位于 6.04 bin，標記區(qū)間為umc1105－umc1979 －nc009)，qDTS6c(位于 6.07 bin，標記區(qū)間為 umc1653－umc2059－phi123)，這4個QTL位點在?？h點的加性效應(yīng)值分別為－1.63，－0.47，－1.47 和 －1.3，在長葛點的加性效應(yīng)值分別為 －1.21，－0.71，－1.21 和 －0.88。

散粉期一共檢測到15個QTL，包括在?？h點定位的8個QTL和長葛點定位的9個QTL，其中qDTA2a和qDTA4a在2個環(huán)境中同時被檢測到，標記區(qū)間分別為位于 2.03 bin的 umc2195－umc1555－bnlg1064和位于4.01 bin的umc1232－phi072－umc1228，qDTA2a在?？h和長葛的加性效應(yīng)值分別為1.00和1.33，qDTA4a在?？h和長葛的加性效應(yīng)值分別為－1.33和－1.00。

在?？h點檢測到12個控制散粉－吐絲間期的QTL，在長葛點則檢測到10個QTL位點，其中在2個地點間重復(fù)檢測到2個位點，即位于7.02 bin的qASI7b，其標記區(qū)間為 umc1433－bnlg1380－bnlg1792，在?？h點和長葛點的加性效應(yīng)值分別為1.47和2.17;以及位于 9.06 bin 的 qASI9b，其標記區(qū)間為umc1310－umc2207－dupssr29，在?？h點和長葛點的加性效應(yīng)值分別為1.47和－2.67。

從表2可以看出，在浚縣點檢測到的8個吐絲期QTL和12個散粉－吐絲間期的QTL中，存在4個同時控制吐絲期和散粉－吐絲間期的位點，分別存在于 3.04，6.07，7.02 和 7.04 bin，而且位于6.07 bin控制吐絲期性狀的QTL在2個環(huán)境中都能重復(fù)檢測。而在長葛點檢測到的控制吐絲期、散粉期和散粉－吐絲間期的所有31個QTL中，有3個QTL同時控制吐絲期、散粉期和散粉－吐絲間期，分別位于玉米染色體的 2.04，6.07，6.00 和9.06 bin;還有1個位于4.01 bin同一標記區(qū)間umc1017－umc1757－umc2280內(nèi)的位點同時控制吐絲期和散粉－吐絲間期，另外值得注意的還有一個位于6.04 bin標記區(qū)間為umc1105－umc1979－nc009的位點同時控制散粉期和吐絲期。

3 結(jié)論與討論

本研究利用184個純合的以Lx 9801為遺傳背景的昌7－2染色體單片段代換系群體，在浚縣、長葛兩試驗點共檢測到51個玉米花期相關(guān)性狀的QTL，包括16個吐絲期QTL、15個散粉期QTL和20個散粉－吐絲間期QTL，其中在2個環(huán)境中重復(fù)檢測到4個吐絲期QTL、2個散粉期QTL和2個散粉－吐絲間期QTL。從該結(jié)果可以看出，玉米花期相關(guān)性狀作為典型的數(shù)量性狀基因，雖然受環(huán)境條件影響較大，但有些基因還是能夠在不同環(huán)境中穩(wěn)定表達，而重復(fù)檢測到得QTL較少則暗示著玉米開花期性狀受環(huán)境因素的影響較大，同時也預(yù)示著玉米開花期性狀有著廣泛而復(fù)雜的遺傳基礎(chǔ)。

本研究中，檢測到的QTL在玉米10條染色體上均有分布，但是每條染色體上檢測到的QTL位點數(shù)目存在極大差異。較多的如在玉米第2、第6和第9染色體上分別分布著8個花期性狀QTL位點，但在第8條和第10條染色體上各自僅僅存在1個花期性狀QTL位點。本研究定位的51個控制玉米花期性狀的QTL多數(shù)集中在第2、4、6、9染色

體上的4個區(qū)間內(nèi)，具有明顯的熱點區(qū)域，如第2染色體區(qū)段存在1個控制吐絲期QTL、4個散粉期的QTL和3個散粉－吐絲間期QTL;第4染色體區(qū)段存在2個吐絲期QTL、2個散粉期的QTL和2個散粉－吐絲間期QTL;第6染色體區(qū)間發(fā)現(xiàn)了3個控制吐絲期的QTL、3個散粉期QTL和2個散粉－吐絲間期QTL;在第9染色體區(qū)間發(fā)現(xiàn)了3個吐絲期QTL、2個散粉期的QTL和3個散粉－吐絲間期QTL。

表2 2個環(huán)境中玉米花期相關(guān)性狀的QTL分析Table 2 The QTL detected for maize flowering related traits in two sites

一般認為，控制同類或相近性狀的QTL，在玉米染色體上的分布體現(xiàn)出一定規(guī)律性，即相關(guān)基因在染色體上的集中分布，上述熱點區(qū)域暗示這些染色體區(qū)間可能存在一些相關(guān)性狀的基因家族。利用許178背景的綜3單片段代換系進行玉米開花期相關(guān)性狀QTL分析獲得的結(jié)果［16］，發(fā)現(xiàn)利用兩套單片段代換系群體檢測到的QTL位點存在一致性熱點區(qū)域，如2.04 bin和6.00 bin，在不同遺傳背景下都同時存在控制散粉期、吐絲期和散粉－吐絲間期的QTL位點，表明這些位點內(nèi)可能真正存在能夠控制玉米花期相關(guān)性狀的基因，不受環(huán)境的影響而穩(wěn)定表達。另外，檢測到的 QTL位點qDTS4a，qDTA4a 與李衛(wèi)華等［11］報道的控制穗長(qEL4)和行粒數(shù)(qKN4)QTL位置區(qū)間相同，這種簇集分布的特征存在多種預(yù)測，其中一因多效，或者控制不同性狀的基因緊密連鎖可能是其主要原因［20－21］。這些位點在染色體上的成簇分布為相關(guān)基因的克隆及分子標記輔助選擇提供了有利的條件，但要實現(xiàn)這些目標，必須構(gòu)建亞片段代換系群體，這也是下一步利用單片段代換系群體進行QTL分析和重要位點克隆的。

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