基于单片段代换系群体的玉米开花期性状QTL分析

曹浩飞， 王 彬,2， 毛克举， 李卫华， 丁 冬， 付志远， 胡彦民

(1.河南农业大学农学院，河南 郑州 450002; 2.河南科技大学农学院，河南 洛阳 471023)

抽雄期和吐丝期是反映玉米生育时期早晚的重要性状，与玉米的产量、光周期反应特性以及地域与季节的适应性有着密切关系.在作物育种过程中，既要考虑获得最长的光合时间，又要考虑作物类型、生态区域特点以及耕作制度，因而适宜的开花期是多种作物的重要育种目标之一.由于中国幅员广阔，不同生态区对玉米品种的生育时期要求存在较大差异.黄淮海夏玉米区是中国重要的玉米产区之一，该区一年两熟(主要为小麦-玉米)，为保证与下茬小麦等作物的衔接，对玉米生育时期的要求显得尤为重要.由于生育时期表型相对简单，在田间易于获得相对准确的表型值，因此许多学者对玉米生育时期相关性状的遗传机制和调控机理进行了大量研究，证明生育时期相关性状是由多基因控制的数量性状，并定位了许多影响玉米生育时期的QTL[1，2].如VELDBOOM等利用Mo 17×H 99的F2:3家系群体，对玉米散粉期、吐丝期、雌雄开花间隔天数进行了定位，将影响散粉期的QTL定位到1，5，6，7，8和9染色体上；影响吐丝期的5个QTL定位在1，2，6，7，8染色体上，影响ASI的QTL定位在第6条和第8条染色体上[3].AUSTIN等利用Mo l7×H 99的F6:7家系，将控制散粉期的QTL定位到除第10条以外的其他9条染色体上，控制吐丝期的QTL定位到除第3条染色体之外的其他9条染色体上，控制ASI的QTL定位到第2，3，6，8条染色体上[4].目前,在MaizeGDB上已经登记的玉米花期相关性状的QTL达201个(http：//www.maizegdb.org/qtl.php)，其中156个QTL与散粉期、吐丝期和散粉-吐丝(ASI)直接相关.但是，早期的相关研究多数是利用BC1，F2，RIL或DH等初级作图群体。这些初级群体具有构群简单、速度快等特点.但由于遗传背景的干扰，用初级群体很难检测出效应小的QTL，且QTL定位精度较低.群体内个体间不同的遗传背景是造成QTL 定位偏差的主要原因，只有当性状的遗传力较高、群体足够大时，定位结果才是准确的[5].近年来，染色体片段代换系、导入系、近等基因系等次级作图群体在农作物重要农艺性状和产量性状的遗传机理研究中得到了广泛应用[6～8].染色体单片段代换系(SSSL)群体除特定的染色体片段来源于供体外，其他遗传组成与受体完全相同，消除了遗传背景与QTL之间的互作干扰，通过对SSSL与受体表型性状的差异显著性分析，可以把QTL 定位于染色体代换片段上[9～11]，因此，SSSL群体是农作物重要性状遗传研究的较为理想群体.本研究以优良玉米自交系许178背景的综3染色体单片段代换系为基础材料，对玉米吐丝期、散粉期和ASI等 3个性状进行了QTL分析，以期鉴定出控制玉米开花期相关性状的重要QTL，为进一步剖析玉米开花期相关性状的遗传机理奠定基础.

1 材料与方法

1.1试验材料

本研究所用试验材料为105个纯合的许178背景的综3单片段代换系群体(SSSLs)，包含74个不重复代换片段，分布在玉米10条染色体上，覆盖玉米基因组的47.85%[12].

1.2田间试验设计

以受体亲本许178和供体亲本综3作为对照，于2012-06将单片段代换系群体分别种植在河南省长葛市尚官曹村试验田和浚县农科院刘寨试验田，每个地点设2次重复，随机区组设计，行长4 m，行、株距分别为60和25 cm，常规管理.在田间对每一个家系的散粉期和吐丝期分别记载，其中散粉期指从播种至每行50%以上植株雄穗开始散粉的天数，吐丝期指从播种至每行50%以上植株雌穗吐丝的天数，散粉-吐丝(ASI)是指吐丝期与散粉期相差的天数.

1.3数据分析

以每个材料的散粉、吐丝天数、散粉吐丝间隔期为原始数据，将单片段代换系材料的开花期相关性状与受体亲本许178对应性状进行方差分析，若差异达到P<0.01的极显著水平，则认为该单片段代换系中来自综3的代换片段与受体亲本许178相对应的染色体片段具有差异效应，即存在目标性状的QTL.在极显著水平对QTL进行定位的目的主要是为了减少检测到QTL假阳性，为以后相关QTL的克隆奠定基础.参照ESHED等[13]的方法估算各个QTL的效应值.

2 结果与分析

2.1单片段代换系群体开花期相关性状的表型分析

从表1可以看出，受体亲本许178和供体亲本综3在散粉期、吐丝期、ASI等 3个性状上存在差异，许178散粉相对较晚，但雌穗吐丝较早，花期一致；而综3雄穗散粉较早，但雌穗吐丝较迟，因此，散粉吐丝间隔期较长.在SSSLs群体中，散粉期、吐丝期和ASI 的平均值和变异范围存在较大差异，如单片段代换系群体在浚县点的散粉期和吐丝期的变异范围均为55.0～62.5 d，在许昌点的散粉期变异范围为55.5～62.0 d，吐丝期的变异范围则为55.0～64.5 d.尽管在群体水平上，散粉期和吐丝期2个试点间差异较小，但是ASI在2个试点间的差异则较大，如浚县点ASI变异范围为0～2 d，均值为0.58 d，而许昌点ASI变异范围则为0～4 d，均值为1.40 d.此外，单片段代换系群体的3个性状在2个试点间均表现为正态分布，符合数量性状遗传的特点.尽管2个试点在纬度上存在一定的差异，但是生育时期的影响主要受温度和光照长度等自然条件的影响，因此,2个亲本的生育时期相关性状在2个环境中出现了一定的差异.

2.2玉米开花期相关性状的QTL分析

分别对浚县和许昌的单片段代换系群体花期3个性状的表型值与受体亲本许178的表型值进行方差分析，在P<0.01水平下，许昌点和浚县点共检测到3个玉米花期性状的47个QTL，其中散粉期检测到14个QTL，吐丝期检测到16个QTL，ASI检测到17个QTL (表2).在浚县和许昌点分别检测到5个和10个与散粉期相关的QTL，其中只有qDTA2-2在2个环境中被重复检出，该QTL位于玉米染色体2.04 bin，其在浚县、许昌的加性效应值为3.04和2.77，与该位点连锁的分子标记是bnlg1018-umc2079-umc1485.

表1 SSSLs群体玉米开花期相关性状的表现

在检测到的16个吐丝期相关QTL中，许昌点检测到14个，而浚县点只检测到4个，其中有2个QTL在2个环境中同时被检测到，其加性效应值为3.28～3.78.在2个试验环境中重复检出效应较大且一致的玉米吐丝期QTL主要有2.04 bin的qDTS2-1(umc1541-umc1579)和qDTS2-3(umc2079).其中qDTS2-1在许昌点的加性效应值为3.36，在浚县点的加性效应值为3.28；而qDTS2-3在许昌点的加性效应值为3.78，在浚县点的加性效应值为3.71.

在检测到的17个ASI QTL中，许昌点检测到12个，浚县点检测到9个.有4个QTL在2个环境中同时被检测到，其加性效应值为0.63～1.38.在2个试验环境中重复检出、效应较大且一致的ASI QTL主要有2.06 bin的qASI2-3(bnlg1396)，4.01 bin的qASI4-1(phi072)，4.11 bin的qASI4-3(mmc0081)和6.04 bin的qASI6-1(umc1105-umc1979-nc009).这4个QTL位点在浚县点的加性效应值均为0.63，而在许昌点，qASI2-3，qASI4-1，qASI6-1 3个位点的加性效应值均为0.88，qASI4-3加性效应为1.13.

由表2可以看出，在散粉期检测到的14个QTL和吐丝期检测到的16个QTL中，有9个散粉期和吐丝期的QTL位于相同的单片段代换系上，且有1个QTL在2个环境中同时检测到，位于染色体2.04 bin.这说明散粉期和吐丝期在遗传上可能是连锁的，相关基因成簇地分布在特定的区段.

3 讨论

利用单片段代换系进行QTL定位与初级定位群体相比，前者可有效减少遗传背景的干扰，提高对复杂农艺性状基因定位的准确性，同时降低效应较大的QTL对效应较小的QTL的遮盖作用，减少QTL之间的互作，能检测出遗传效应较小的QTL，从而提高QTL鉴定的精确度和灵敏度，且试验结果可望直接用于基因功能分析或聚合育种.比较前人的研究结果发现，不同群体间定位的结果不尽相同[14,15]，重复检测到的QTL也较少，表明玉米开花期性状受环境因素的影响较大，也预示着控制玉米开花期性状的遗传基础较为复杂.

数量性状基因的表达受环境因素的影响较大，多年来科学家对利用分子标记检测到的QTL所提供的遗传信息的可靠性一直存在争议.尽管存在显著的QTL与环境互作，但很多研究已经证明可以在不同环境下检测到那些稳定表达的QTL.例如，STUBER等[16]对利用M 17×B 73群体检测到6个与产量构成因素有关的QTL，但发现QTL与环境之间的互作是不显著的；VELDBOOM等[17]也发现，控制株高和开花期的QTL可以在不同的环境中同时检测到，一致性可达50%.在本研究中，针对不同开花相关性状，均检测到在2种环境下相同的QTL.如在本试验中对ASI这个性状，在第6条染色体上的umc1105-umc1979-nc009区间2种环境都检测到了QTL，说明此QTL在2个环境中的表达较为稳定.该区段也是进一步定位ASI基因的重要区域.

表2 2个环境中检出的玉米生育时期性状的QTL

对利用SSSL群体在2个环境下检测到的47个与开花期相关的QTL进行比较分析发现，在染色体相同区域的相同标记区间内，同时存在着影响不同性状的QTL，即存在QTL的成簇分布现象，如本研究在染色体2.04,3.08和6.00同时存在控制散粉期、吐丝期、ASI的QTL.前人对玉米农艺性状的QTL分析表明,相关性状的QTL常定位于相同染色体区域[18]，原因可能是来源于基因的一因多效或基因的紧密连锁[19].对于QTL成簇现象，说明控制同一性状的QTL可能不是随机分布，而是在染色体上存在着控制某一特定性状的QTL集中区域.基因成簇分布现象在作物中普遍存在，它是指相关性状的QTL定位于同一染色体的相同或相近区间，其位置往往很接近.成簇分布QTL紧密连锁的特性可能是造成这些性状表型相关的遗传原因.由于目前只能将QTL 定位在某个染色体区段上，该区段是否存在1个QTL或者是多个QTL效应值的累加，需要进一步构建亚片段代换系群体，通过不同亚片段代换系的效应值分析，才能确定该目标基因区段内是否存在一因多效的基因，或者是多个目标性状候选基因的紧密连锁.基因的成簇分布特性在遗传改良中可以起到事半功倍的效果，达到不同性状同步改良的目的，在育种实践中具有重要意义.

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