玉米籽粒相關性狀的QTL 定位

王新濤，李保葉，楊 青，代資舉，郝俊杰

（1. 河南省農業科學院 植物保護研究所，河南 鄭州 450002；2. 河南省農業科學院 芝麻研究中心，河南 鄭州450002；3. 河南省作物分子育種研究院，河南 鄭州 450002）

玉米是重要的糧食作物和飼料作物，在國民經濟中占有非常重要的地位，而玉米產量的提高是玉米育種者和生產者追求的永恒目標[1]。研究表明，玉米籽粒相關性狀如粒質量、粒長和粒寬等是構成產量的主要因素，這些籽粒相關性狀與產量具有高度的相關性[2]。因此，從分子水平上解析籽粒粒質量、粒長和粒寬的遺傳基礎，對于有效開展籽粒相關性狀的分子育種進而提高玉米產量具有重要意義。

籽粒粒質量、粒長和粒寬等性狀均為多基因控制的數量性狀，國內外研究者對籽粒相關性狀進行了大量的QTL（Quantitative trait loci）定位分析，對其內在遺傳機制研究也在逐漸深入[3?4]。MESSMER等[5]通過構建的重組自交系（Recombinant inbred line，RIL）群體定位到8個百粒質量QTL；張向歌等[6]利用74 個單片段代換系，在2 個環境條件下同時檢測到2 個粒質量QTL 和2 個粒長QTL；LI 等[7]利用11個RIL 群體進行籽粒相關性狀的QTL 定位，檢測到146 個與產量和籽粒性狀相關的QTL，其中粒質量Lqkwei4和粒長Lqklen4-1在多個環境下被定位在bin 4.05 的臨近區間，其最大貢獻率分別達到27%和24%；王安貴等[8]利用T32 與齊319 構建的F2:3家系，分別檢測到2 個控制粒質量、2 個控制粒長和7個控制粒寬的QTL，單個QTL 可解釋4.03%～11.34% 的表型變異。這些籽粒相關性狀研究中QTL 定位的數目和位置存在差異，不同的定位結果也反映了玉米籽粒相關性狀遺傳調控的復雜性。因此，在不同的遺傳背景下，發掘更多新的或穩定的控制玉米籽粒性狀相關的QTL，有利于進一步解析籽粒性狀的遺傳機制。為此，以玉米籽粒相關性狀存在顯著差異的玉米自交系鄭58 和D863F 為親本，構建包含241 個家系的RIL 群體，利用SSR 分子標記對2 a 不同環境下玉米籽粒百粒質量、粒長和粒寬進行QTL 定位，檢測穩定表達的QTL，為玉米籽粒相關主效QTL 的精細定位與候選基因分離及產量分子育種提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為玉米籽粒性狀存在顯著差異的自交系鄭58（來自河南省農業科學院糧食作物研究所，是我國推廣面積最大的玉米雜交種鄭單958 的母本）和D863F（來自中國農業科學院作物科學研究所種質資源庫）及含有241 個家系的RIL 群體。其中，RIL 群體是以鄭58 和D863F 為親本，從F2后采用單粒傳法連續自交至F7所得。

1.2 田間試驗設計

田間試驗于2018 年夏季在河南省西平縣試驗基地（113°36'E、33°10'N）、2019 年夏季在河南省原陽縣河南省農業科學院現代農業科技試驗示范基地（113°96'E、35°05'N）進行。供試材料種植行長2 m，行距0.6 m，株距0.25 m，正常田間管理。

1.3 籽粒性狀調查

1.4 籽粒相關性狀QTL定位

河南省農業科學院郝俊杰課題組前期已經對親本鄭58 和D863F 進行多態性SSR 標記篩選，共鑒定出有差異性的標記215個（數據未發表）。本研究用這215 對引物進行PCR 擴增。PCR 反應體系為10 μL，其中，DNA 模板2.0 μL，上、下游引物各0.4 μL，Mix 5.0 μL，ddH2O 2.8 μL。擴增程序：95 ℃預變性5 min；95 ℃變性60 s，60 ℃退火50 s，72 ℃延伸50 s，35 個循環；72 ℃延伸5 min。PCR 產物在ABI 3500XL 基因分析儀中進行電泳和分析。

河南省農業科學院郝俊杰課題組前期利用JoinMap 4.0 軟件構建了該RIL 群體的遺傳連鎖圖譜，圖譜全長為1 832.35 cM，平均遺傳距離為8.52 cM，并進行了抗病等性狀(粗縮病和葉寬)的定位分析[9?10]。本研究采用QTL IciMapping 4.0 軟件的完備區間作圖法對2 a 不同環境下的百粒質量、粒長、粒寬進行QTL 分析，設定LOD（Likelihood of odd）閾值為2.5，PIN（Pvalues for entering variables）設為0.01，通過1 000 次模擬運算檢測確定[11]。QTL 命名方式為q+性狀名稱縮寫+染色體，如果同一染色體存在多個QTL位點，則在染色體后加上相應的編號。

2 結果與分析

2.1 玉米親本和RIL群體籽粒相關性狀分析

對玉米親本及RIL群體的籽粒相關性狀進行分析(表1、圖1—2)，結果表明，2 a不同環境下，親本鄭58 的百粒質量、粒長和粒寬平均值均高于D863F，均存在顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）差異。RIL群體中不同株系的百粒質量、粒長和粒寬均表現出較大的變異。其中，2 a 百粒質量的變異系數最大，分別為16.18%和15.50%，粒長的變異系數分別為7.49%和7.16%，粒寬的變異系數分別為7.00%和6.39%。除2018 年粒長的峰度絕對值大于1 外，其他性狀的峰度、偏度絕對值均小于1，基本符合連續的正態分布，表明籽粒相關性狀屬于典型的受多基因控制的數量性狀，適合進行QTL定位研究。

表1 不同環境下玉米親本及RIL群體籽粒相關性狀分析Tab.1 Traits related with kernel in parents and RIL population under different environments

2.2 玉米RIL群體籽粒性狀的相關性分析及遺傳力分析

對2 a不同環境下玉米RIL群體的百粒質量、粒長和粒寬進行相關性分析（表2），結果表明，玉米RIL 群體百粒質量、粒長和粒寬兩兩之間呈極顯著正相關。其中，百粒質量與粒寬相關系數最大，2 a分別為0.91 和0.87；粒長與粒寬的相關系數最小，分別為0.63 和0.64。方差分析結果表明，百粒質量、粒長和粒寬均具有較高的廣義遺傳力，分別為0.86、0.89和0.88(表3)。

表2 玉米RIL群體籽粒性狀的相關性分析Tab.2 Correlation analysis among traits related with kernel in maize RIL population

表3 不同環境下玉米RIL群體籽粒相關性狀的方差分析Tab.3 Variance analysis on traits related with kernel in maize RIL population under different environments

2.3 玉米RIL群體籽粒相關性狀QTL定位

本研究在2 a不同環境下共檢測到14個與玉米百粒質量、粒長和粒寬有關的QTL，分別位于玉米的第2、3、4、7 染色體上。其中，第4 染色體上檢測到的QTL 增效等位基因來源于D863F，其余QTL 的增效等位基因均來自于鄭58，單個QTL 表型貢獻率（Phenotypic variance explained，PVE）介于6.42%～13.41%(表4、圖3)。

2.3.1 百粒質量QTL 定位 2 a 不同環境下共檢測到6 個控制玉米籽粒百粒質量的QTL(表4、圖3)，且所有QTL 在2 a 不同環境下定位區間相同，表型貢獻率為6.47%～13.41%。其中，位于第2 染色體的q100KW2兩年的表型貢獻率均大于10%，為主效QTL。

2.3.2 粒長QTL 定位 2 a 不同環境下共檢測到3個控制玉米籽粒粒長的QTL(表4、圖3)，表型貢獻率為6.80%～7.92%。其中，QTLqKL7在2 a 不同環境下定位區間相同；2019 年檢測到的qKL4增效等位基因來源于D863F，表型貢獻率為7.92%。

2.3.3 粒寬QTL 定位 2 a 不同環境下共檢測到5個控制玉米籽粒粒寬的QTL(表4、圖3)，其中，QTLqKW3-1和qKW4在2 a 不同環境下定位區間相同。qKW3-1兩年的表型貢獻率分別為6.42%、7.06%，增效等位基因來源于鄭58；qKW4兩年的表型貢獻率分別為10.66%、8.90%，增效等位基因來源于D863F；2019 年檢測到的qKW3-2表型貢獻率為12.57%。

2.3.4 百粒質量、粒長、粒寬QTL 共定位 2 a 不同環境條件下，在第4 染色體umc1891—mmc0371 區間內同時檢測到控制百粒質量、粒長和粒寬的QTLq100KW4、qKL4和qKW4，表型貢獻率最高達10.66%；在第7 染色體umc2333—umc1841 區間內同時檢測到控制百粒質量和粒長的QTLq100KW7和qKL7（表4、圖3）。

表4 玉米RIL 群體籽粒性狀相關QTLTab.4 QTLs related with kernel traits in maize RIL population

3 結論與討論

百粒質量、粒長和粒寬是玉米產量主要構成因素[12?13]。本研究結果表明，玉米籽粒的百粒質量、粒長和粒寬性狀存在較大變異，2 a不同環境下百粒質量與粒長、粒寬均呈極顯著正相關，表明粒寬和粒長是決定百粒質量的重要因素。張偉強等[14]研究發現，百粒質量與籽粒深度呈極顯著正相關；張向歌等[6]研究發現，百粒質量與粒長呈顯著正相關，與粒寬呈正相關，這與本研究結果相似。因此，在玉米籽粒性狀改良過程中，應充分認識三者的緊密相關性，重視對百粒質量和粒寬/粒長的協同改良。

玉米籽粒相關性狀屬于多基因控制的數量性狀，解析其遺傳組成對玉米產量的提高具有重要意義[15]。本研究利用RIL 群體進行玉米籽粒相關性狀的QTL 定位，共定位到14 個相關的QTL，包括6 個百粒質量相關的QTL、3個粒長相關的QTL和5個粒寬相關的QTL。其中，在第4 染色體umc1891—mmc0371 區間定位到的控制百粒質量的QTLq100KW4與PENG 等[16]定 位 的 百 粒 質 量QTLQqkwei4一致，在第7 染色體umc2333—umc1841 區間定位到的控制百粒質量QTLq100KW7與趙璞等[17]定位的百粒質量QTLqkwb5一致。馬娟等[18]研究發現，玉米第4 染色體（bin4.03—bin4.05）包含控制百粒質量、粒長和粒寬的熱點區域，江培順等[19]在第4（bin4.05）和第7（bin7.02）染色體也發現了影響粒質量的一致性QTL，與本研究的定位結果一致，由此推測以上2 個百粒質量QTL 可靠性較高，具有潛在的育種利用價值。位于第2染色體的控制百粒質量的主效QTLq100KW2至今未見報道，是新發現的QTL，這為分子標記輔助選擇育種及粒質量改良提供了重要參考。

研究表明，相同或鄰近QTL 具有同時控制多個目標性狀的效應，這些定位區域內可能存在不同性狀緊密連鎖的QTL 或者存在一因多效QTL[20?21]。本研究發現，在第4 染色體umc1891—mmc0371 區間同時檢測到控制百粒質量、粒長和粒寬的QTL，在第7 染色體umc2333—umc1841 區間也同時檢測到控制百粒質量和粒長的QTL，推測定位區間可能存在同時影響百粒質量、粒長、粒寬或者百粒質量、粒長從而影響玉米產量的主效基因。進一步明確這些一因多效QTL 將為后續精細定位和挖掘高產基因奠定基礎。