劉鵬飛,周富亮,陳青春,孫 偉,張姿麗,萬(wàn)小榮,蔣 鋒
(1 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院,廣東 廣州 510225;2 廣州市特色作物種質(zhì)資源研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510225)
根系是玉米植株的重要吸收器官,健壯的根系可為玉米生長(zhǎng)發(fā)育提供充足的養(yǎng)分和水分,而且對(duì)整個(gè)植株有支持作用。大量的研究表明,不同品種之間根系性狀存在著豐富的遺傳變異,且與地上部性狀密切相關(guān)[1-2]。因此,研究控制玉米根系相關(guān)性狀的QTL及分子遺傳,在育種實(shí)踐中對(duì)提高玉米的種植密度、抗倒伏、抗逆境能力等具有重要的參考價(jià)值。
研究表明,玉米的根系性狀由大量微效 QTL控制, 而且受環(huán)境條件影響較大[3]。由于田間作物根系及其根際環(huán)境的復(fù)雜性, 根系表型性狀的測(cè)定還存在著一定困難,根系性狀的遺傳改良研究進(jìn)展相對(duì)較緩慢[4]。 Lebreton等[5]最早對(duì)玉米根系性狀的 QTL定位進(jìn)行了報(bào)道,利用Polj×F-2構(gòu)建的 F2代群體的81個(gè)家系對(duì)初生不定根數(shù)、節(jié)根數(shù)和根拔拉力性狀進(jìn)行了QTL定位,分別檢測(cè)到了4,4,7個(gè)QTL位點(diǎn)。 Guingo等[6]最早在田間利用F-2×Io重組自交系群體對(duì)玉米根系進(jìn)行了QTL定位,對(duì)6,7,8節(jié)間的節(jié)根數(shù)及第7節(jié)間的根直徑,分別定位到了1,3個(gè)QTLs。Zhu等[7]在2個(gè)磷水平下,用 B73和Mo17所構(gòu)建的 RIL 群體對(duì)根系性狀包括側(cè)根長(zhǎng)、側(cè)根數(shù)和初生不定根進(jìn)行了定位,結(jié)果表明不同磷水平下同時(shí)定位到的相同位點(diǎn)很少,說(shuō)明不同磷水平下根系的遺傳機(jī)制不同。 Chen等[8]采用082和Ye107構(gòu)建了241個(gè)F2∶3家系,結(jié)果表明在田間2個(gè)磷水平下玉米苗期根系相關(guān)性狀地上部鮮質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、根干質(zhì)量和纖維根數(shù)分別定位到了6,9,7,7個(gè)QTLs位點(diǎn)。Liu等[9]采用綜3和87-1所構(gòu)建F8家系的RIL群體,進(jìn)行了2個(gè)氮水平下玉米苗期根系性狀QTL定位,結(jié)果表明水培根系性狀的側(cè)根長(zhǎng)、軸根長(zhǎng)、最大軸根長(zhǎng)、軸根數(shù)和平均軸根長(zhǎng)分別定位到了2,1,2,1,2個(gè)QTLs。高世斌等[10]用N87-1和9526構(gòu)建的183個(gè)F2∶3家系,在田間進(jìn)行不同水分處理下根系相關(guān)性狀的QTL定位,共檢測(cè)到16個(gè)QTLs,分布于1、4、5、7和10染色體上。劉建超等[11]用 綜3和豫87-1 組建的重組自交系群體進(jìn)行了水培根系的QTL定位,對(duì)根干質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、總根長(zhǎng)和根冠比在2個(gè)氮水平下共定位到了22個(gè)QTL位點(diǎn)。
有關(guān)學(xué)者對(duì)玉米根系性狀QTL定位結(jié)果進(jìn)行了整合及熱點(diǎn)區(qū)域分析。Tuberosa等[12]通過(guò)對(duì)5個(gè)群體根系性狀在田間與室內(nèi)水培條件下定位結(jié)果的整合分析發(fā)現(xiàn),對(duì)于玉米的根系性狀存在著一些重要的QTL區(qū)域,這些區(qū)域分別位于染色體臂1.03,1.06,1.08,2.03,2.04,7.02,8.06和10.04;Hund等[13]通過(guò)整合匯總9個(gè)遺傳群體15個(gè)根系QTL定位研究, 將161個(gè)根系QTL劃分到24個(gè)QTL簇上,其中1.07,2.04,2.08,3.06,6.05和7.04 是根系的熱點(diǎn)區(qū)域;Song等[14]利用鄭58×昌7-2的重組自交系群體,對(duì)根系相關(guān)性狀進(jìn)行QTL定位,表明在玉米第2染色體2.06,第3染色體3.02-03,第9染色體9.02-04和9.05-06中發(fā)現(xiàn)了QTL的熱點(diǎn)區(qū)域。這些重要QTL區(qū)域?yàn)檫M(jìn)一步對(duì)根系性狀進(jìn)行精細(xì)定位、圖位克隆奠定了基礎(chǔ)。
目前,關(guān)于玉米根系研究多集中在水培、盆栽及苗期根系性狀的研究,而針對(duì)玉米田間成株期根系性狀的研究鮮有報(bào)道,關(guān)于根系節(jié)根層數(shù)的QTL定位尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。本研究以2個(gè)根系相關(guān)性狀差異較大的甜玉米自交系及其F2、F2∶3家系為試驗(yàn)材料,應(yīng)用復(fù)合區(qū)間作圖法對(duì)根長(zhǎng)度、根干質(zhì)量和節(jié)根層數(shù)3個(gè)根系性狀進(jìn)行QTL定位,以期為甜玉米耐密性、抗倒伏、耐逆性種質(zhì)遺傳改良及分子輔助育種提供參考依據(jù)。
親本T49和T56是仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院玉米研究所經(jīng)多年嚴(yán)格自交和自主選育的甜玉米骨干自交系,其根長(zhǎng)度、根干質(zhì)量、節(jié)根層數(shù)的均值分別為20.43 cm、27.09 g、6.8和26.67 cm、43.81 g、6.1,親本根系性狀差異顯著(P<0.05)。2017年3月在廣州市番禺區(qū)鐘村教學(xué)科研基地以自交系T49為母本、T56為父本配制雜交F1,同年10月F1自交獲得F2群體;2018年3月種植2個(gè)親本及來(lái)自同一果穗的226個(gè)F2單株,F(xiàn)2單株套袋嚴(yán)格自交,其中獲得208株正常生長(zhǎng)的植株;2018年9月種植208個(gè)F2∶3家系。試驗(yàn)地單行區(qū),行長(zhǎng)5 m,行距0.65 m,株距0.25 m,每個(gè)家系種20株,同時(shí)防治病蟲害,減少干擾,田間管理略高于一般生產(chǎn)田。于玉米抽雄后2周測(cè)定相關(guān)性狀,每個(gè)家系隨機(jī)挑選中間有代表性的3株測(cè)量根系相關(guān)性狀。每個(gè)單株在長(zhǎng)0.25 m、寬0.16 m、深度0.40 m根系主要分布的土體內(nèi)挖取根系[1,15]。樣品洗凈后采用直尺量取地上氣生根至地下最基部的長(zhǎng)度為根長(zhǎng),直接烘干至恒質(zhì)量時(shí)稱量為根干質(zhì)量,記錄包含地上氣生根的節(jié)根層數(shù)。
采用CTAB法提取親本T49、T56及F1和F2群體的DNA,根據(jù)大量國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)[16-17],從玉米基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中選取826對(duì)高多態(tài)性SSR引物,由北京鼎國(guó)昌盛生物技術(shù)有限責(zé)任公司合成。PCR 擴(kuò)增體系及產(chǎn)物的聚丙烯酰胺凝膠電泳等程序參考文獻(xiàn)[18-19]的方法。觀察電泳結(jié)果,進(jìn)行帶型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。
按照J(rèn)oinMap 3.0軟件分析SSR標(biāo)記, 構(gòu)建分子遺傳圖譜。采用Windows QTLs Cartographer 2.5 結(jié)合復(fù)合區(qū)間作圖法,以F2∶3群體的表型性狀用于QTL定位分析,通過(guò)1 000次隨機(jī)抽樣確定 LOD閾值,以LOD≥2.5來(lái)構(gòu)建遺傳連鎖圖譜[20]。通過(guò)以上兩個(gè)軟件聯(lián)合表型數(shù)據(jù)在連鎖群上定位相關(guān)QTL,并可以得到LOD值、加性效應(yīng)、顯性效應(yīng)及單個(gè)QTL的遺傳貢獻(xiàn)率。
QTLs命名參照文獻(xiàn)[21]的方法,按照“QTLs+性狀+染色體+QTLs個(gè)數(shù)”,用“q”開(kāi)始代替“QTLs”,性狀用大寫斜體英文縮寫表示,如:“qRL”表示根長(zhǎng)QTL,“qRW”表示根干質(zhì)量QTL,“qNRL”表示節(jié)根層數(shù)QTL,當(dāng)同一染色體上有多個(gè)不同位點(diǎn)的QTLs時(shí),就在染色體的后面加“1”“2”“3”等予以區(qū)別。
從表1可以看出,甜玉米F2∶3家系的根長(zhǎng)、根干質(zhì)量和節(jié)根層數(shù)3個(gè)性狀中根長(zhǎng)和根干質(zhì)量的變幅和變異系數(shù)均較大;3個(gè)性狀的偏度分別為0.07,0.57,0.19,都小于1,與正態(tài)分布無(wú)顯著偏離,表現(xiàn)出與數(shù)量性狀特征一致,可以對(duì)其進(jìn)行QTL定位與分析。
表1 甜玉米F2∶3家系根系相關(guān)性狀Table 1 Phenotypic statistics of root related traits in F2∶3 population for sweet corn
從玉米基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中選取826對(duì)SSR引物序列,通過(guò)對(duì)兩親本進(jìn)行多態(tài)性篩選,先篩選出238對(duì)具有多態(tài)性的SSR引物,進(jìn)一步進(jìn)行χ2測(cè)驗(yàn),其中有187對(duì)分離比例符合3∶1和1∶2∶1,用 JoinMap 3.0軟件對(duì)多態(tài)位點(diǎn)進(jìn)行連鎖關(guān)系分析,得到含153個(gè)位點(diǎn)、全長(zhǎng)為1 199.1 cM的SSR標(biāo)記遺傳連鎖圖譜,平均間距為7.83 cM(圖1)。
通過(guò)對(duì)甜玉米根系相關(guān)3個(gè)性狀進(jìn)行QTL定位,共檢測(cè)出10個(gè)QTL,其中第3、8染色體中分別檢測(cè)到3,5個(gè)QTL,第2、4染色體各檢測(cè)到1個(gè)QTL,單個(gè)QTL解釋5.28%~21.13%的表型變異,7個(gè)QTL貢獻(xiàn)率大于10%。 1個(gè)同時(shí)控制根長(zhǎng)和根干質(zhì)量的QTL在bnlg2235-umc1974 標(biāo)記區(qū)間,位于8號(hào)染色體bin8.02區(qū)域, 1個(gè)控制節(jié)根層數(shù)的QTL與其緊密連鎖,在umc1974-umc1778標(biāo)記區(qū)間,位于bin8.02-8.03區(qū)域,分別可解釋18.20%,17.24%和21.13%的表型變異;1個(gè)同時(shí)控制根干質(zhì)量和節(jié)根層數(shù)的QTL在umc1778-umc1741標(biāo)記區(qū)間,位于bin8.03區(qū)域(圖1,表2)。
矩形區(qū)域?yàn)?-LOD置信區(qū)間;須狀線區(qū)域?yàn)?-LOD置信區(qū)間。 Chr.1-Chr.10.分別代表玉米1~10號(hào)染色體。各連鎖群上左邊數(shù)值代表各標(biāo)記間的遺傳距離(cM),右邊為各標(biāo)記的名稱Bars and whiskers indicate 1-LOD and 2-LOD QTL likelihood intervals,respectively.Chr.1-Chr.10 represent corn chromosomes 1-10.The value on the left of each linkage group represents the genetic distance (cM) between each marker,and the name of each marker is on the right圖1 甜玉米SSR連鎖遺傳圖譜及根系相關(guān)性狀的QTL定位Fig.1 SSR linkage map and QTL mapping of root related traits in sweet corn
2.3.1 根長(zhǎng)QTL定位 在甜玉米F2∶3家系,以根長(zhǎng)為指標(biāo)共檢測(cè)到 2個(gè)QTL(圖1,表2)。 其中qRL-chr02-1位于第2染色體phi127-bnlg2077標(biāo)記區(qū)間,可解釋19.70%的表型變異;qRL-chr08-1位于第8染色體bnlg2235-umc1974標(biāo)記區(qū)間,可解釋18.20%的表型變異。2個(gè)QTL貢獻(xiàn)率均大于10%,加性效應(yīng)均為正值,表明2個(gè)根長(zhǎng)QTL增效等位基因均來(lái)自于母本T49。
2.3.2 根干質(zhì)量QTL定位 在甜玉米F2∶3家系,以根干質(zhì)量為指標(biāo)共檢測(cè)到5個(gè)QTL(圖1,表2)。其中qRW-chr03-1和qRW-chr03-2位于第3染色體umc1400-dupssr23和bnlg2241-bnlg197標(biāo)記區(qū)間,可解釋5.28%和7.22%的表型變異,QTL增效等位基因分別來(lái)自于父本T56和母本T49;qRW-chr04-1位于第4染色體bnlg1621-bnlg2291區(qū)間,可解釋12.25%的表型變異,加性效應(yīng)為正值,QTL增效等位基因來(lái)自于母本T49;qRW-chr08-1和qRW-chr08-2位于第8染色體bnlg2235-umc1974和umc1778-umc1741標(biāo)記區(qū)間,可解釋17.24%和17.13%的表型變異,加性效應(yīng)均為正值,表明2個(gè)根干質(zhì)量QTL增效等位基因均來(lái)自母本T49。
2.3.3 節(jié)根層數(shù)QTL定位 在甜玉米F2∶3家系,以節(jié)根層數(shù)為指標(biāo)共檢測(cè)到3個(gè)QTL(圖1,表2)。其中qNRL-chr03-1位于第3染色體bnlg2136-bnlg1601標(biāo)記區(qū)間,可解釋9.38%的表型變異,QTL增效等位基因來(lái)自于母本T49;qNRL-chr08-1和qNRL-chr08-2位于第8染色體umc1974-umc1778、umc1778-umc1741標(biāo)記區(qū)間,分別可解釋21.13%和18.82%的表型變異,2個(gè)QTL均與標(biāo)記umc1778緊密連鎖,QTL增效等位基因均來(lái)自于母本49。
表2 甜玉米F2∶3 群體的根系相關(guān)性狀QTLTable 2 Location of QTL for root related traits based on F2∶3 population in sweet corn
根系是作物重要的吸收器官。作物的根長(zhǎng)、根干質(zhì)量和節(jié)根層數(shù)是根系發(fā)達(dá)程度的主要決定因素,根系發(fā)達(dá)程度對(duì)植物從土壤中吸收水分和養(yǎng)分具有決定性作用[22]。同時(shí),根系的形態(tài)建成也會(huì)直接影響植株的抗倒伏性,根系形態(tài)是植株抗倒伏的關(guān)鍵因素[6,15]。根系性狀是復(fù)雜的數(shù)量性狀,由于根系的復(fù)雜性、表型鑒定的困難、受環(huán)境及人為影響大等因素導(dǎo)致根系遺傳研究的嚴(yán)重滯后,從而影響了根系育種的發(fā)展。
目前,根系遺傳研究多集中在水培、盆栽等人為體系對(duì)苗期根系性狀的研究[23-26],僅有少量研究是針對(duì)田間的根系性狀進(jìn)行[6,27-28]。本研究對(duì)甜玉米的根長(zhǎng)、根干質(zhì)量和節(jié)根層數(shù)性狀的QTL進(jìn)行了定位,共檢測(cè)到10個(gè)QTL,其中根長(zhǎng)的QTL共2個(gè),位于第2、8染色體上,分別可解釋19.70%和18.20%的表型變異。蔡紅光等[1]利用根系形態(tài)差異顯著的自交系掖478和武312為親本,構(gòu)建的BC4F3群體在抽雄期第2染色體上檢測(cè)到1個(gè)貢獻(xiàn)率 5.9%的QTL ,落在nc003-bnlg2077標(biāo)記區(qū)間,該結(jié)果與本研究檢測(cè)到的QTL均與標(biāo)記bnlg2077連鎖。Hund等[13]研究認(rèn)為bin2.04和bin2.08是根系的熱點(diǎn)區(qū)域,Tuberosa等[12]對(duì)5個(gè)群體根系性狀在田間與室內(nèi)水培條件下定位結(jié)果的整合分析表明,在bin2.03和bin2.04區(qū)域存在玉米根系相關(guān)性狀QTL。本研究在bin2.07-2.08處檢測(cè)到1個(gè)根長(zhǎng)相關(guān)QTL,與Hund等[13]研究的熱點(diǎn)區(qū)域具有一致性,但與Tuberosa等[12]研究結(jié)果不在同一區(qū)域。本研究檢測(cè)到5個(gè)根干質(zhì)量相關(guān)QTL,其中第4染色體上檢測(cè)到的QTL在bnlg1621-bnlg2291標(biāo)記區(qū)間(bin4.06),與蔡紅光等[1]在第4染色體檢測(cè)到的QTL均與標(biāo)記bnlg2291連鎖,但與劉建超等[11]在不同氮水平下定位在第4染色體上的QTL位于不同區(qū)域。Hund等[13]通過(guò)匯總9個(gè)遺傳群體15項(xiàng)根系QTL定位研究,將161個(gè)根系QTL劃分到24個(gè)QTL簇上,其中bin3.06是根系的熱點(diǎn)區(qū)域,本研究在bin3.05-3.06和bin3.06區(qū)域各檢測(cè)到1個(gè)根干質(zhì)量QTL,與Hund等[13]的研究結(jié)果具有一定一致性。本研究檢測(cè)到的2個(gè)根干質(zhì)量性狀的主效QTL位于bin8.02和bin8.03區(qū)域,與Tuberosa等[12]在bin8.06區(qū)域檢測(cè)到根系相關(guān)QTL不在同一區(qū)域。目前,關(guān)于節(jié)根的研究多以節(jié)根數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行QTL定位。Guingo等[6]在田間條件下,在染色體3.04位置上定位到1個(gè)控制土表下第6層(RI6)節(jié)根數(shù)QTL,而以節(jié)根層數(shù)為性狀的QTL定位未查閱到相關(guān)報(bào)道。本研究對(duì)節(jié)根層數(shù)檢測(cè)到3個(gè)QTL,分別位于bin3.04-3.05、bin8.02-8.03和bin8.03區(qū)域,這與Tuberosa等[12]和Hund等[13]研究的熱點(diǎn)區(qū)域均不一致。這主要是由于,一方面試驗(yàn)材料差異,兩個(gè)親本對(duì)應(yīng)位點(diǎn)沒(méi)有等位基因差異,未檢測(cè)到相關(guān)性狀QTL;另一方面連鎖圖譜的標(biāo)記偏少,而該位點(diǎn) QTL 所在區(qū)域恰好圖譜未覆蓋到,未能檢測(cè)到該位點(diǎn),也可能與表型鑒定使用的儀器或方法不同有關(guān)。
控制不同性狀的QTL在同一區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)富集現(xiàn)象,即不同性狀在同一位點(diǎn)存在重疊的QTL,其主要是某些染色體區(qū)域具有“一因多效”或控制不同性狀基因間的緊密連鎖造成的[29]。 一些相關(guān)性較高性狀的QTL常定位于相同或相近的染色體區(qū)段,并且在染色體上“呈簇”分布[30]。本研究在第8染色體的bin8.02-8.03區(qū)域有與根長(zhǎng)、根干質(zhì)量和節(jié)根層數(shù)均有關(guān)的QTL; 第3染色體的bin3.05區(qū)域有與根干質(zhì)量、節(jié)根層數(shù)有關(guān)的QTL;利用這些同時(shí)控制不同性狀、位于染色體相同區(qū)域或標(biāo)記區(qū)間內(nèi)成簇分布的 QTL 進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇(MAS)可以起到“一選多效”的效果,提高選擇效率,在育種實(shí)踐中具有重要意義。
一般能夠解釋表型變異10%以上的QTL可視為主效基因[31]。前人研究表明,定位QTL與鄰近分子標(biāo)記距離較近(<4 cM)時(shí),利用分子標(biāo)記定位群體進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇有利于提高選擇效率[32-33]。 本研究共檢測(cè)到7個(gè)主效QTL,有些QTL與標(biāo)記間連鎖距離很近,甚至有些落在同一標(biāo)記區(qū)間內(nèi),這些是同一個(gè)QTL還是兩個(gè)不同的QTL,還有待于進(jìn)一步在更加飽和的連鎖圖譜上進(jìn)行精確定位分析;第8染色體檢測(cè)到1個(gè)同時(shí)控制根長(zhǎng)和根干質(zhì)量的QTL位于bin8.02區(qū)域,1個(gè)bin8.02-8.03區(qū)域控制節(jié)根層數(shù)的QTL與其緊密連鎖,分別可解釋18.20%,17.24%和21.13%的表型變異;1個(gè)同時(shí)控制根干質(zhì)量和節(jié)根層數(shù)的QTL位于bin8.03區(qū)域。第3和8染色體也是重點(diǎn)研究的染色體,這些共同 QTL是下一步研究的重點(diǎn)。在本研究的基礎(chǔ)上,可繼續(xù)進(jìn)行不同年份、地點(diǎn)、組合、世代、群體的研究,以盡可能消除環(huán)境及遺傳背景的影響,找出在不同環(huán)境和遺傳背景下都穩(wěn)定存在的主效 QTL;針對(duì)主效QTL 所在的染色體區(qū)域,增加分子標(biāo)記,進(jìn)一步對(duì)目標(biāo)QTL進(jìn)行精細(xì)定位、克隆主效QTL、聚合有利基因以及分子標(biāo)記輔助改良,為選育耐密、抗倒伏、抗逆性強(qiáng)的玉米品種提供參考依據(jù)。
應(yīng)用復(fù)合區(qū)間作圖法,以甜玉米組合T49×T56的F2為作圖群體,測(cè)定F2∶3家系的根長(zhǎng)、根干質(zhì)量和節(jié)根層數(shù),進(jìn)行相關(guān)性狀的QTL定位,構(gòu)建了包含153個(gè)SSR標(biāo)記位點(diǎn)的遺傳連鎖圖譜,覆蓋玉米基因組1 199.1 cM,平均間距7.83 cM。3個(gè)性狀共檢測(cè)到10個(gè)QTL, 其中2個(gè)與根長(zhǎng)相關(guān)的QTL位于第2、8染色體上,5個(gè)與根干質(zhì)量相關(guān)的QTL位于第3、4、8染色體上,3個(gè)與節(jié)根層數(shù)相關(guān)的QTL位于第3、8染色體上。第8染色體bin8.02區(qū)域檢測(cè)到1個(gè)同時(shí)控制根長(zhǎng)和根干質(zhì)量的QTL,且與1個(gè)控制節(jié)根層數(shù)的QTL(bin8.02-8.03)緊密連鎖;1個(gè)同時(shí)控制根干質(zhì)量和節(jié)根層數(shù)的QTL位于bin8.03區(qū)域。第8染色體上控制不同性狀的QTL在同一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)重疊。育種實(shí)踐中,可利用根系的3個(gè)性狀共同檢測(cè)到的相關(guān)主效QTL及QTL富集區(qū)進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇和遺傳改良。
西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021年4期