玉米雄穗分枝數(shù)主效QTL定位及qTBN5近等基因系構(gòu)建

代資舉 王新濤 楊 青 王 艷 張瑩瑩 席章營 李保全,*

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玉米雄穗分枝數(shù)主效QTL定位及近等基因系構(gòu)建

代資舉1王新濤1楊 青1王 艷1張瑩瑩1席章營2李保全1,*

1河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物設(shè)計(jì)中心, 河南鄭州 450002;2河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 河南省糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南鄭州 450002

立足于發(fā)掘玉米雄穗分枝數(shù)優(yōu)異基因資源, 利用鄭單958骨干親本鄭58和昌7-2構(gòu)建的188個(gè)重組自交系(recombinant inbred line, RIL)家系群體, 結(jié)合288個(gè)多態(tài)性分子標(biāo)記構(gòu)建的連鎖圖譜和2年玉米雄穗分枝數(shù)表型數(shù)據(jù), 運(yùn)用完備復(fù)合區(qū)間作圖法進(jìn)行QTL定位, 共檢測到5個(gè)控制玉米雄穗分枝數(shù)的一致性主效QTL, 分別位于玉米5條染色體上。通過連續(xù)回交及分子標(biāo)記輔助選擇構(gòu)建了位于5.05的控制雄穗分枝數(shù)主效QTL-近等基因系(near isogenic line, NIL), 對(duì)基因遺傳效應(yīng)進(jìn)行了驗(yàn)證, 并將進(jìn)一步定位在13.2 Mb區(qū)間之內(nèi), 為玉米雄穗分枝數(shù)主效基因的精細(xì)定位及分子育種奠定基礎(chǔ)。

玉米; 雄穗分枝數(shù); QTL定位; 近等基因系

玉米雄穗分枝數(shù)(tassel branch number, TBN)作為衡量雄穗大小的重要指標(biāo), 是玉米育種與種子生產(chǎn)過程中被研究的與產(chǎn)量形成有關(guān)的重要農(nóng)藝性狀之一。Geraldi等[1]的研究表明雄穗分枝數(shù)與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)。然而在玉米雜交種種子生產(chǎn)過程中卻要求作父本的親本植株具有較為發(fā)達(dá)的雄穗, 以利于提高制種質(zhì)量與降低成本[2]。同時(shí)較小適中的雄穗又是理想株型的構(gòu)成要素之一, 過度發(fā)達(dá)的雄穗影響株型的冠層結(jié)構(gòu)[3]。因此在育種實(shí)踐中選育適度減少雄穗分枝數(shù)的雜交種是目前玉米育種的一個(gè)趨勢(shì), 而研究玉米雄穗分枝數(shù)基因的遺傳效應(yīng), 挖掘玉米雄穗分枝數(shù)基因資源可以為玉米產(chǎn)量和株型相關(guān)性狀的遺傳改良提供依據(jù)。

隨著現(xiàn)代分子生物技術(shù)的發(fā)展, 一些控制玉米雄穗分枝數(shù)QTL被鑒定出來。Berke和Rocheford[4]利用F2群體定位到3個(gè)雄穗分枝數(shù)目QTL, 分布于第2、第4、第7染色體上, 其中第7染色體上的QTL貢獻(xiàn)率達(dá)35.3%。Mickolson等[5]利用重組自交系群體, 定位到6個(gè)雄穗分枝數(shù)目QTL, 分布于第1、第2、第3、第4染色體上, 其中第2染色體QTL貢獻(xiàn)率達(dá)19.2%。湯華等[6]利用N87-1×綜3構(gòu)建F2:3群體, 定位到9個(gè)雄穗分枝數(shù)目QTL, 分布于第1、第3、第4、第5、第9、第10染色體上, 貢獻(xiàn)率為6.11%~12.01%。Upadyayula等[7]利用BC1S1家系群體, 定位到2個(gè)雄穗分枝數(shù)目QTL, 分布于第4、第7染色體, 貢獻(xiàn)率分別為7.9%和11.7%。高世斌等[8]利用N87-1×9526構(gòu)建F2:3群體, 定位到6個(gè)雄穗分枝數(shù)目QTL, 分布于第2、第4、第7、第10染色體上, 貢獻(xiàn)率為5.6%~28.4%。王迪等[9]利用齊319×黃早四和披478×黃早四分別構(gòu)建了2套F2:3群體, 定位到40個(gè)雄穗分枝數(shù)目QTL, 10條染色體上均有分布, 貢獻(xiàn)率為2.93%~23.78%。Brown等[10]利用5000份重組自交系群體組成的(nested association mapping, NAM)群體, 檢測到39個(gè)雄穗分枝數(shù)目QTL。楊釗釗等[11]以黃早四為共同親本構(gòu)建了11個(gè)不同組合的重組自交系群體, 定位到11個(gè)雄穗分枝數(shù)目QTL, 分布于第2、第3、第4、第5、第7、第8染色體, 貢獻(xiàn)率為9.7%~20.9%。Chen等[12]利用F2群體和高密度遺傳圖譜檢測到7個(gè)控制雄穗分枝數(shù)QTL, 分布于第1、第3、第4、第5、第7、第8、第9染色體上。Wu等[13]利用NAM群體和全基因組關(guān)聯(lián)分析檢測到63個(gè)控制雄穗分枝數(shù)QTL。而Xu等[14]利用栽培玉米和類蜀黍(teosinte)發(fā)展作圖群體, 利用SNP標(biāo)記全基因組掃描檢測到14個(gè)控制玉米雄穗分枝數(shù)QTL。以上研究表明玉米雄穗分枝數(shù)是多基因控制數(shù)量性狀, 控制該性狀基因在多數(shù)染色體上都是存在的, 且存在主效QTL。但由于不同的研究所用到的F2:3、RIL、BC1S1等群體類型易受到遺傳背景的影響及試驗(yàn)環(huán)境和標(biāo)記密度等因素干擾, 使得彼此定位結(jié)果存在差異, 具有一致性且貢獻(xiàn)率較大的QTL比較少, 因此難以通過精細(xì)定位克隆雄穗分枝數(shù)基因。

玉米雄穗分枝發(fā)育涉及眾多關(guān)鍵基因, 基于突變體的遺傳分析, 已鑒定分離了多個(gè)調(diào)控玉米雄穗分枝數(shù)發(fā)育基因, 如參與玉米花序分枝分生組織調(diào)控的基因突變體系列()、()和(), 主要表現(xiàn)為雄穗基部分枝數(shù)增多, 其中和基因分別位于第7染色體的兩個(gè)不同區(qū)域,編碼含有一個(gè)Cys2-His2鋅指結(jié)構(gòu)域且具植物特異性的類EPF蛋白, 而基因編碼6-磷酸海藻糖酶用以修飾進(jìn)入花序分生組織的糖信號(hào), 進(jìn)而調(diào)控的轉(zhuǎn)錄活性,基因位于第3染色體, 是一個(gè)含有LOB-domain的轉(zhuǎn)錄因子, 在莖頂端分生組織和花序分生組織細(xì)胞中表達(dá)較高, 其中起關(guān)鍵作用, 調(diào)節(jié)和表達(dá)[15-17]。()突變體雄穗只有一個(gè)主軸而沒有分枝、小穗和小花, 導(dǎo)致突變的原因是位于第3染色體基因編碼起始位點(diǎn)上游存在轉(zhuǎn)座子插入, 該基因編碼一個(gè)堿性螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop-helix)結(jié)構(gòu)蛋白, 是一個(gè)植物特有的bHLH 轉(zhuǎn)錄因子[18]。()主要控制玉米葉舌和葉耳的發(fā)育, 也參與花序建成的調(diào)控, 雄穗下部長分枝不能啟始, 該基因位于第3染色體上, 編碼一個(gè)bZIP結(jié)構(gòu)蛋白[19]。()基因是位于第1染色體上的一個(gè)編碼絲氨酸/蘇氨酸激酶, 參與生長素極性運(yùn)輸,突變體表現(xiàn)為雄穗分枝難以分化、小穗分生組織減少[20]。而()和()基因分別位于第1和第4染色體, 是一類轉(zhuǎn)錄因子, 增強(qiáng)其表達(dá)可以增加玉米雄穗分枝和花藥數(shù)[21]。盡管這些突變體導(dǎo)致了雄穗分枝數(shù)的改變, 為雄穗分枝數(shù)相關(guān)基因的克隆及功能研究提供了參考, 但部分突變體表現(xiàn)出其他性狀(如雌穗性狀、植株形態(tài)性狀等)的改變, 影響了優(yōu)異種質(zhì)材料的育種利用。

本研究首先利用鄭單958的骨干親本鄭58和昌7-2構(gòu)建的重組自交系群體對(duì)控制玉米雄穗分枝數(shù)主效QTL進(jìn)行鑒定, 然后構(gòu)建主效QTL的近等基因系驗(yàn)證基因遺傳效應(yīng), 開發(fā)連鎖標(biāo)記, 利用重組株系縮短定位區(qū)間, 為玉米雄穗分枝數(shù)主效基因的精細(xì)定位和克隆及分子育種實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與田間試驗(yàn)

以生產(chǎn)上大量應(yīng)用玉米品種鄭單958的2個(gè)優(yōu)良自交系親本鄭58和昌7-2雜交, 采用單粒傳法連續(xù)自交至F7:8構(gòu)建188個(gè)重組自交系群體。分別于2015年和2016年夏季在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院原陽試驗(yàn)基地種植188個(gè)重組自交系及親本, 采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 不設(shè)重復(fù), 單行區(qū), 行長2 m, 每行10穴, 每穴1株, 植株授粉15 d后, 調(diào)查雄穗分枝數(shù), 每行從第2株開始, 連續(xù)調(diào)查5株完整雄穗, 統(tǒng)計(jì)各家系的雄穗分枝數(shù)平均值用于進(jìn)一步分析。-NILs構(gòu)建試驗(yàn)材料于2008—2017年夏季種植于河南鄭州, 冬季種植于海南三亞, 春季在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院原陽試驗(yàn)基地溫室加代。

1.2 分子標(biāo)記檢測

按CTAB法從玉米幼苗葉片組織提取分離基因組DNA。引物合成的序列來自于玉米基因組數(shù)據(jù)庫(MaizeGDB, http://www.maizegdb.org/)。PCR擴(kuò)增體系為10 μL, 包括DNA模板2.0 μL、5 U μL–1DNA聚合酶0.1 μL、10×buffer 1.6 μL、10 mmol L–1dNTP 0.15 μL、Primer (M13+F +R) 0.4 μL和ddH2O 5.75 μL。擴(kuò)增程序?yàn)?4°C 預(yù)變性5 min; 94°C變性60 s, 60°C退火50 s, 72°C延伸50 s, 35個(gè)循環(huán); 72°C延伸10 min, 4°C保存。電泳檢測體系為2 μL PCR產(chǎn)物、7 μL甲酰胺和0.04 μL liz 500分子量內(nèi)標(biāo)(Applied Biosystems, USA)。95°C變性3 min后, 在ABI 3500XL基因分析儀進(jìn)行電泳。用Genographer 2.1軟件分析帶型數(shù)據(jù)。

1.3 玉米雄穗分枝數(shù)QTL定位

從1928個(gè)分子標(biāo)記中篩選到在鄭58與昌7-2之間有多態(tài)性的分子標(biāo)記300個(gè), 用于植株的基因型鑒定。經(jīng)c2檢驗(yàn)后, 選擇擴(kuò)增位點(diǎn)符合孟德爾分離定律(1∶1)的引物288個(gè), 利用MapMaker/EXP 3.0 軟件構(gòu)建群體的遺傳圖譜[22], 采用Haldane函數(shù), 圖距單位為cM (centiMorgan)。根據(jù)引物序列比對(duì)B73 RefGen-v3基因組序列, 找出標(biāo)記在圖譜上的物理位置, 利用MapChart 2.1繪制物理圖譜。利用188個(gè)家系的雄穗分枝數(shù)平均數(shù)進(jìn)行QTL定位, 選用QTL IciMapping Version 4.0軟件的復(fù)合區(qū)間作圖法[23]分析QTL效應(yīng)。設(shè)定QTL檢測的LOD閾值為3.0, PIN值為0.001。

1.4 主效QTL-qTBN5近等基因系構(gòu)建

利用分子標(biāo)記輔助選擇(marker-assisted selection, MAS)及表型選擇創(chuàng)制-NILs流程(圖1)。在-NILs創(chuàng)制過程中, 子代群體只保留經(jīng)分子標(biāo)記選擇基因型正確、雄穗分枝數(shù)與受體親本植株表型具有顯著差異、而其他性狀與輪回親本相近的單株, 并嚴(yán)格進(jìn)行雜交或自交授粉。以昌7-2為供體親本, 鄭58為受體材料并作為輪回親本(recurrent parent)回交5代后自交, 用140個(gè)多態(tài)性SSR進(jìn)行全基因組背景選擇, 構(gòu)建以鄭58為受體的染色體片段代換系(chromosome segment substitution line, CSSL)。然后利用連鎖標(biāo)記umc1853選擇基因型為且雄穗分枝數(shù)與受體親本存在顯著差異的CSSL, 用均勻分布于全基因組的288個(gè)多態(tài)性標(biāo)記進(jìn)行背景分析, 選出片段較少且攜帶目標(biāo)基因片段的CSSL與鄭58雜交、回交, 最后自交, 選擇基因型純合且除雄穗分枝數(shù)外其他性狀沒有明顯差異的植株, 表型穩(wěn)定遺傳后創(chuàng)制- NILs。

圖1 qTBN5-NILs的構(gòu)建流程

2 結(jié)果與分析

2.1 親本與RIL家系雄穗分枝數(shù)表型分析

對(duì)親本鄭58和昌7-2及188個(gè)RIL家系的兩年雄穗分枝數(shù)調(diào)查結(jié)果(表1)表明, 188個(gè)RIL家系雄穗分枝數(shù)的總平均數(shù)分別為10.7個(gè)和11.2個(gè), 家系間從最少的2.4個(gè)和2.8個(gè)到最多的22.6個(gè)和21.4個(gè), 變異系數(shù)分別為43.60和38.83, 分布范圍較廣。而且廣義遺傳率(2)較高, 為89.74%, 表明RIL家系群體大部分表型變異受遺傳控制。

分別以188個(gè)RIL家系雄穗分枝數(shù)平均值的兩年數(shù)據(jù)制作頻次分布, 呈現(xiàn)為一種連續(xù)的近似正態(tài)分布(圖2), 表明玉米雄穗分枝數(shù)是典型的多基因控制的數(shù)量性狀。親本鄭58雄穗分枝數(shù)的平均個(gè)數(shù)2年分別為4.6個(gè)和4.4個(gè), 而昌7-2兩年分別為17.8個(gè)和17.2個(gè), 多數(shù)家系雄穗分枝數(shù)的平均值都介于兩個(gè)親本之間, 但也有部分家系雄穗分枝數(shù)在兩個(gè)親本區(qū)間之外, 說明控制雄穗分枝數(shù)基因存在雙向重組超親分離, 雙親均含有影響雄穗分枝數(shù)性狀的增效、減效基因。

表1 親本及RIL家系在兩年環(huán)境下的雄穗分枝數(shù)的表型分析

圖2 RIL家系雄穗分枝數(shù)頻次分布

2.2 QTL檢測與遺傳效應(yīng)分析

連鎖圖譜共包含288個(gè)在鄭58和昌7-2之間存在多態(tài)性的分子標(biāo)記, 覆蓋玉米整個(gè)10條染色體的基因組, 除第4和第7染色體存在2個(gè)較大gap外, 其他標(biāo)記分布較為均勻。根據(jù)引物序列參考比對(duì)B73 RefGen-v3基因組序列, 明確了分子標(biāo)記在圖譜上的物理位置(圖3)。

利用188個(gè)RIL家系兩年的雄穗分枝數(shù)表型數(shù)據(jù), 經(jīng)復(fù)合區(qū)間作圖法在包含288個(gè)分子標(biāo)記的連鎖圖譜上一共檢測到了5個(gè)兩年均可重復(fù)檢測的主效QTL, 分別位于第3、第4、第5、第7和第10染色體上, 即、、、和(圖3), 各QTL的貢獻(xiàn)率變異范圍在5.81%~ 19.92%之間(表2), 在5個(gè)QTL中貢獻(xiàn)率超過10%的有3個(gè), 最高的是位于第5染色體5.05上的。在被檢測到的5個(gè)QTL中, 有3個(gè)加性效應(yīng)值為負(fù)值, 表明來自于鄭58的等位基因可以使雄穗分枝數(shù)減少; 而加性效應(yīng)值為正值、位于第3和第5染色體上的和的貢獻(xiàn)率較高, 分別達(dá)到了13.67%和19.92%, 表明來自于親本昌7-2的增效等位基因可以使雄穗分枝數(shù)顯著增加, 這與作為父本的昌7-2自身具有相對(duì)較多的雄穗分枝數(shù)有關(guān)。

2.3 qTBN5-NILs的表型分析

根據(jù)雄穗分枝數(shù)主效QTL-定位(圖4-a), 利用回交、自交和分子標(biāo)記前景及背景選擇, 成功創(chuàng)制了-NILs。圖4-b是-NILs基因型, 除位于第5染色體上基因所在片段來自昌7-2之外, 其他背景均來自鄭58。對(duì)創(chuàng)制成功的-NILs及其受體親本鄭58和供體親本昌7-2的雄穗分枝數(shù)、株高、穗位高、抽雄期和雄穗主軸長進(jìn)行調(diào)查,檢驗(yàn)分析表明: 受體親本鄭58和供體親本昌7-2的雄穗分枝數(shù)與-NILs之間均存在顯著性差異(圖4-c), 而其他主要性狀如株高、穗位高、抽雄期和雄穗主軸長在鄭58與-NILs之間差異不顯著(圖4-d~g)。由此表明,基因的導(dǎo)入可以使鄭58雄穗分枝數(shù)顯著增加, 但是達(dá)不到昌7-2水平, 而且并沒有造成鄭58其他主要性狀的改變。

2.4 雄穗分枝數(shù)主效QTL-qTBN5的進(jìn)一步定位及連鎖標(biāo)記開發(fā)

根據(jù)在第5染色體5.05的定位區(qū)間, 利用CSSL和鄭58發(fā)展的BC1F2作圖群體, 提取DNA篩選交換單株, 種植重組單株自交發(fā)展株系, 純合株系用于表型考察和進(jìn)一步定位(圖5-a), 從網(wǎng)上公布的引物數(shù)據(jù)庫及相關(guān)序列, 開發(fā)篩選到3個(gè)與緊密連鎖的分子標(biāo)記, 即引物phi333597、e2040、e2042 (圖5-b), 結(jié)合重組株表型將進(jìn)一步定位在phi333597和e2042的13.2 Mb區(qū)域之內(nèi), 為的精細(xì)定位和分子標(biāo)記輔助育種奠定基礎(chǔ)。

圖3 雄穗分枝數(shù)性狀主效QTL在標(biāo)記連鎖圖上的位置

連鎖圖上左邊數(shù)字表示標(biāo)記在B73 RefGen-v3基因組序列圖譜上的物理位置。

Physical map distances (Mb) referring B73 RefGen-v3 are shown on the left of linkage map.

表2 玉米雄穗分枝數(shù)主效QTL及其遺傳效應(yīng)

圖4 qTBN5-NILs的基因型和表型效應(yīng)

a: 雄穗分枝數(shù)主效基因的定位; b:-NILs的基因型, 白色為鄭58背景, 黑色部分為來自昌7-2的基因所在片段; c: 雄穗分枝數(shù); d: 株高; e: 穗位高; f: 抽雄期; g: 雄穗主軸長。**表示在 0.01水平差異顯著, ns表示差異不顯著。

a: physical locus ofidentified in RILs population. b: genotypes of-NILs. Black part is segment from Chang 7-2 indicating gene position and white parts are genetic background from Zheng 58. c: tassel branch number. d: plant height. e: ear height. f: days to pollen. g: total tassel length.Error bars represent SD. “**” and“ns” show significance at<0.01 level and on significant difference, respectively as determined by-test.

圖5 qTBN5進(jìn)一步定位及連鎖標(biāo)記開發(fā)

a: 交換株代換作圖定位, L1為昌7-2, L5為鄭58, L2~L4為重組株, **表示在 0.01水平差異顯著; b: 標(biāo)記檢測鄭58和昌7-2及BC1F2世代部分單株基因型, 紅色M13為通用引物序列。

a:detected on the substituted segments in recombinant lines; L1: Chang 7-2; L5: Zheng 58. L2–L4: recombinant lines; “**” shows significance at<0.01 as determined by-test. b: genotypes identification ofin BC1F2backcross population. M13: Red indicates universal primer sequences.

3 討論

玉米雄穗分枝數(shù)是復(fù)雜的數(shù)量性狀, 玉米雄穗分枝數(shù)QTL定位易受遺傳背景、群體類型、標(biāo)記密度和試驗(yàn)環(huán)境等因素影響, 迄今對(duì)控制玉米雄穗分枝數(shù)的基因研究報(bào)道相對(duì)較少且存在不同的看法[24]。不同的研究者利用不同研究材料、不同的標(biāo)記密度, 在玉米10條染色體上都定位出了玉米雄穗分枝數(shù)的QTL[4-14]。本研究共檢測到5個(gè)均可重復(fù)檢測的主效QTL, 分別位于第3、第4、第5、第7、第10染色體上(圖3), 各QTL座位的表型貢獻(xiàn)率變異范圍在5.81%~19.92%之間(表2)。其中第3染色體定位區(qū)間位于[18]和[19]基因附近, 第7染色體定位區(qū)間附近有[15]突變體基因, 而定位的區(qū)間與Chen等[12]報(bào)道區(qū)間有少部分重合, 且該區(qū)間附近存在[21]突變體基因。對(duì)于第5染色體上雄穗分枝數(shù)QTL定位的研究, 由于受群體類型及標(biāo)記密度的影響, 不同的研究中沒有相對(duì)一致的定位區(qū)間, 且效應(yīng)都比較小[6,9-10,12,14,25], 本研究中定位到的貢獻(xiàn)率在5個(gè)主效QTL中最大, 達(dá)到19.92%。而位于第10染色體的為一個(gè)新的QTL, 在此區(qū)域未見有QTL報(bào)道。因此, 盡管定位到的部分QTL與前人報(bào)道的具有重合定位區(qū)間, 但由于效應(yīng)大小及穩(wěn)定性未知, 仍然需要進(jìn)行遺傳效應(yīng)驗(yàn)證。

近等基因系和染色體片段代換系是在受體的遺傳背景中代換某個(gè)或某些供體親本的染色體片段, 而基因組的其余部分均與受體親本相同[26], 可對(duì)復(fù)雜數(shù)量性狀進(jìn)行有效的遺傳剖析, 因此在基因(QTL)的鑒定與定位, 等位基因變異分析等方面具有重要的利用價(jià)值而受到許多研究者的重視。玉米雄穗分枝數(shù)是受多基因控制的數(shù)量性狀, 且存在主效QTL, 然而前人研究中所用到的F2、RIL、BC1S1等群體類型易受遺傳背景的影響, 使得彼此定位結(jié)果存在差異, 難以通過精細(xì)定位克隆雄穗分枝數(shù)基因。而本研究根據(jù)定位到的控制玉米雄穗分枝數(shù)主效QTL, 構(gòu)建主效基因近等基因系, 有效解決了遺傳背景的干擾, 且通過發(fā)展近等基因系對(duì)該基因遺傳效應(yīng)進(jìn)行了驗(yàn)證(圖4), 開發(fā)了緊密連鎖標(biāo)記, 并將進(jìn)一步定位在13.2 Mb區(qū)間之內(nèi)(圖5), 為玉米雄穗分枝數(shù)基因精細(xì)定位和分子標(biāo)記輔助育種提供參考。

玉米雄穗分枝數(shù)作為衡量雄穗大小的重要指標(biāo),是玉米育種與種子生產(chǎn)過程中被研究的與產(chǎn)量形成有關(guān)的重要農(nóng)藝性狀之一。育種實(shí)踐中常常要求母本具有較小雄穗或者較少雄穗分枝數(shù), 這樣可以減少對(duì)雌穗能量的競爭, 父本一般要求較為發(fā)達(dá)的雄穗或者較多雄穗分枝數(shù), 這樣可以保證充足的粉量以便提高制種產(chǎn)量, 而二者組配的雜交種往往需要具有適度較少雄穗分枝數(shù), 從而達(dá)到最優(yōu)組合[27]。鄭單958作為黃淮海地區(qū)的主推品種, 其親本鄭58和昌7-2兩個(gè)優(yōu)良自交系也一直是研究的熱點(diǎn), 二者之所以在制種過程中獲得較高產(chǎn)量的雜交種, 重要原因之一是親本之間雄穗的合理搭配。本研究通過1928個(gè)分子標(biāo)記篩選, 最終找到288個(gè)在鄭58和昌7-2之間具有多態(tài)性的分子標(biāo)記, 并對(duì)標(biāo)記的物理位置進(jìn)行了注釋, 建立了一張可以借助ABI 3500XL遺傳分析儀高通量檢測鄭單958品種的指紋圖譜, 為后續(xù)開展鄭58和昌7-2之間包括雄穗分枝數(shù)在內(nèi)的優(yōu)良性狀基因挖掘, 進(jìn)而解析鄭單958品種之所以能夠成為主推品種的奧秘奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

定位到5個(gè)玉米雄穗分枝數(shù)主效QTL, 分別位于玉米5條染色體上, 3個(gè)QTL表型貢獻(xiàn)率超過了10%。構(gòu)建了玉米雄穗分枝數(shù)主效QTL近等基因系, 驗(yàn)證了基因遺傳效應(yīng), 并將進(jìn)一步定位在13.2 Mb區(qū)間之內(nèi), 為玉米雄穗分枝數(shù)主效基因的精細(xì)定位和分子育種實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。

[1] Geraldi I O, Miranda Filho J B, Vencovsky R. Estimates of genetic parameters for tassel characters in maize (L.) and breeding perspectives., 1985, 30: 1–14

[2] Upadyayula N, Silva H S, Bohn M O, Rocheford T. Genetic and QTL analysis of maize tassel and inforescence architecture., 2006, 112: 592–606

[3] Gue R, Wasson C. Genetic analysis of tassel size and leaf senescence and their relationship with yield in two tropical low land maize populations., 1996, 4: 275–281

[4] Berke T, Rocheford T. Quantitative trait loci for tassel traits in maize., 1999, 39: 1439–1443

[5] Mickelson S M, Stuber C S, Senior L, Kaeppler S M. Quantitative trait loci controlling leaf and tassel traits in a B73lMo17 population of maize., 2002, 42: 1902–1909

[6] 湯華, 嚴(yán)建兵, 黃益勤, 鄭用璉, 李建生. 玉米5個(gè)農(nóng)藝性狀的QTL定位. 遺傳學(xué)報(bào), 2005, 32: 203–209 Tang H, Yan J B, Huang Y Q, Zheng Y L, Li J S. QTL mapping of five agronomic traits in maize., 2005, 32: 203–209 (in Chinese with English abstract)

[7] Upadyayula N, Silva H S, Bohn M O, Rocheford T. Genetic and QTL analysis of maize tassel and inforescence architecture., 2006, 112: 592–606

[8] 高世斌, 趙茂俊, 蘭海, 張志明. 玉米雄穗分枝數(shù)與主軸長的QTL鑒定. 遺傳, 2007, 29: 1013–1017 Gao S B, Zhao M J, Lan H, Zhang Z M. Identification of QTL associated with tassel branch number and total tassel length in maize.(Beijing), 2007, 29: 1013–1017 (in Chinese with English abstract)

[9] 王迪, 李永祥, 王陽, 劉成, 劉志齋, 彭勃, 譚巍巍, 張巖, 孫寶成, 石云素, 宋燕春, 王天宇, 黎裕. 控制玉米雄穗分枝數(shù)目和雄穗重的主效QTL的定位. 植物學(xué)報(bào), 2001, 46: 11–20 Wang D, Li Y X, Wang Y, Liu C, Liu Z Z, Peng B, Tan W W, Zhang Y, Sun B C, Shi Y S, Song Y C, Wang T Y, Li Y. Major quantitative trait loci analysis of tassel primary branch number and tassel weight in maize (L.)., 46: 11–20 (in Chinese with English abstract)

[10] Brown P J, Upadyayula N, Mahone G S, Tian F, Bradbury P J, Myles S, Holland J B, Flint-Garcia S, McMullen M M, Buckler E S, Rocheford T R. Distinct genetic architectures for male and female inflorescence traits of maize., 2011, 7(11): e1002383

[11] 楊釗釗, 李永祥, 劉成, 劉志齋, 李春輝, 李清超, 彭勃, 張巖, 王迪, 譚巍巍, 孫寶成, 石云素, 宋燕春, 王天宇, 黎裕. 基于多個(gè)相關(guān)群體的玉米雄穗相關(guān)性狀QTL分析. 作物學(xué)報(bào), 2012, 38: 1435–1442 Yang Z Z, Li Y X, Liu C, Liu Z Z, Li C H, Li Q C, Peng B, Zhang Y, Wang D, Tan W W, Sun B C, Shi Y S, Song Y C, Wang T Y, Li Y. QTL analysis of tassel-related traits in maize (L.) using multiple connected populations., 2012, 38: 1435–1442 (in Chinese with English abstract)

[12] Chen Z L, Wang B B, Dong X M, Liu H, Ren L H, Chen J, Hauck A, Song W B, Lai J S. An ultra-high density bin-map for rapid QTL mapping for tassel and ear architecture in a large F2maize population., 2014, 15: 433

[13] Wu X, Li Y X, Shi Y S, Song Y C, Zhang D F, Li C H, Buckler E S, Li Y, Zhang Z W, Wang T Y. Joint-linkage mapping and GWAS reveal extensive genetic loci that regulate male inflorescence size in maize., 2016, 14: 1551–1562

[14] Xu G H, Wang X F, Huang C, Xu D Y, Li D, Tian J G, Chen Q Y, Wang C L, Liang Y M, Wu Y Y, Yang X H, Tian F. Complex genetic architecture underlies maize tassel domestication., 2017, 214: 852–864

[15] Vollbrecht E, Springer P S, Goh L, Buckler E S, Martienssen R. Architecture of floral branch systems in maize and related grasses., 2005, 436: 1119–1126

[16] Satoh-Nagasawa N, Nagasawa N, Malcomber S, Sakai H, Jackson D. A trehalose metabolic enzyme controls inflorescence architecture in maize., 2006, 441: 227–230

[17] Bortiri E, Chuck G, Vollbrecht E, Rocheford T, Martienssen R, Hake S.encodes a LATERAL ORGAN BOUNDARY domain protein that determines the fate of stem cells in branch meristems of maize., 2006, 18: 574–585

[18] Gallavotti A, Zhao Q, Kyozuka J, Meeley R B, Ritter M K, Doebley J F, Pè M E, Schmidt R J. The role ofin the architecture of maize., 2004, 432: 630–635

[19] Walsh J, Freeling M. Thegene of maize functions during the transition from the vegetative to the reproductive shoot apex., 1999, 19: 489–495

[20] Skirpan A, Culler A H, Gallavotti A, Jackson D, Cohen J D, McSteen P. BARREN INFLORESCENCE2 interaction with ZmPIN1a suggests a role in auxin transport during maize inflorescence development., 2009, 50: 652–657

[21] Chuck, G, Brown, P, Meeley, R, Hake, S. Maizetranscription factorsandaffect yield traits by regulating the rate of lateral primordia initiation., 2014, 111: 18775–18780

[22] Lander E S, Green P, Abranhanson J, Barlow A, Daley M, Lincoln S, Newburg L. MAPMAKER: an interactive computer package for constructing primary genetic linkage maps of experimental and natural populations., 1987, 1: 174–181

[23] Meng L, Li H H, Zhang L Y, Wang J K. QTL IciMapping: Integrated software for genetic linkage map construction and quantitative trait locus mapping in bi-parental populations., 2015, 3: 169–173

[24] Brewbaker J L. Diversity and genetics of tassel branch numbers in maize., 2015, 55: 65–78

[25] Briggs W H, McMullen M D, Gaut B S, Doebley J. Linkage mapping of domestication loci in a large maize-teosinte backcross resource., 2007, 177: 1915–1928

[26] Kubo T, Aida Y, Nakamura K, Tsunematsu H, Doi K, Yoshimura A. Reciprocal chromosome segment substitution series derived fromandcross of rice (L.)., 2002, 52: 319–325

[27] Chen Z J, Yang C, Tang D G, Zhang L, Zhang L, Qu J T, Liu J. Dissection of the genetic architecture for tassel branch number by QTL analysis in two related populations in maize., 2017, 16: 1432–1442

Major Quantitative Trait Loci Mapping for Tassel Branch Number and Construction ofNear-isogenic Lines in Maize (L.)

DAI Zi-Ju1, WANG Xin-Tao1, YANG Qing1, WANG Yan1, ZHANG Ying-Ying1, XI Zhang-Ying2, and LI Bao-Quan1,*

1Crop Designing Centre, Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002, Henan, China;2College of Agronomy, Henan Agricultural University / Collaborative Innovation Center ofHenanFood Crops, Zhengzhou 450002, Henan, China

Tassel branch number (TBN) is a principal component of maize tassel-related traits important for modern maize breeding and production. To understand the genetic basis of tassel branch number, we adopted 288 markers exhibiting polymorphisms between Zheng 58 and Chang 7-2 to construct the genetic linkage map, and conduct quantitative trait loci (QTLs) analysis using sets of 188 recombinant inbred line (RIL) families derived from the elite maize inbred lines. Zheng 58 × Chang 7-2. Five major QTLs controlling tassel branch number within five different chromosomes respectively were validated by using the inclusive composite interval mapping method (ICIM) based on phenotypic data collected in two years. Becauselocated on chromosome5.05 was found to be an important QTL,near-isogenic lines (-NILs) were developed by backcrossing and marker-assisted selection, andwas further mapped in 13.2 Mb intervals.These findings will advance our understanding of the inheritance basis of TBN, and also facilitate the fine mapping and molecular breeding programs in maize.

maize; tassel branch number; quantitative trait loci mapping; near-isogenic lines

2018-06-09;

2018-06-11.

10.3724/SP.J.1006.2018.01127

李保全, E-mail: lbq308@126.com, Tel: 0371-65721718

E-mail: zijudai@163.com, Tel: 0371-65867618

2017-12-20;

本研究由河南省重大科技專項(xiàng)(161100110500)和河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研發(fā)展專項(xiàng)(YNK20177514, YNK201710605)資助。

This study was supported by the Henan Major Science and Technology Project (161100110500) and the Special Fund for Scientific Research and Development of Henan Academy of Agricultural Sciences (YNK20177514, YNK201710605).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20180611.0555.004.html