甜玉米穗位叶面积QTL定位

张姿丽+蒋锋（等）

摘要：选用穗位叶面积有显著差异的超甜玉米（Zea mays L.）自交系T4和T19为亲本配制杂交组合，以232个单株的F2群体为作图群体，构建了一张包含77个位点全长868.7 cM的玉米SSR标记遗传连锁图谱，标记间的平均间距为11.28 cM。在F2群体中用复合区间作图法在玉米全基因组上检测穗位叶面积QTL，共检测到4个与甜玉米穗位叶面积相关QTL，分别位于玉米第4、5、9染色体上，可解释5.98%～11.12%的表型变异。这一结果将加快高产、耐密和抗倒伏甜玉米育种进程，实现玉米的分子标记辅助选择育种。

关键词：甜玉米（Zea mays L.）；叶面积；复合区间作图；QTL

中图分类号：S513；Q789 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）07-1502-04

QTL Mapping of Ear Leaf Area in Sweet Corn

ZHANG Zi-li，JIANG Feng，LIU Peng-fei，CHEN Qing-chun，ZHANG Yuan，WANG Xiao-ming

（Crop Research Institute， Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou 510225，China）

Abstract： Cross was made between two sweet corn inbreds（T19 and T4） significantly different in ELA（ear leaf area）. A genetic linkage map of 868.7 cM length was constructed with 77 SSR markers based on a sweet corn population consisting of 232 F2 individuals from the cross T4×T19， with an average interval length of 11.28 cM. 4 QTLs of ELA on chromosome 4， 5 and 9 were detected with composite interval mapping（CIM）. The phenotypic variance explained by each QTL was ranged from 5.98% to 11.12%. The QTL of ELA from this study may improve the breeding of high yield， density and realized lodging resistance and molecular marker-assisted selection（MAS of ELA）.

Key words：sweet corn（Zea mays L.）； ELA； composite interval mapping； QTL

高产是玉米（Zea mays L.）育种永恒追求的目标，玉米的产量是由多个因素共同作用的结果，果穗产量性状是其直接表现。叶片是玉米光合作用的主要器官，叶面积是决定光合产物的一个重要指标[1] ，对于产量形成具有重要的作用。在作物育种上，叶面积作为一个重要的株型选择指标[2-6]。研究表明，玉米穗三叶面积与玉米单株产量呈显著的正相关[7-11]，其中穗位叶面积与产量关系最为密切[4]。因此，研究玉米穗三叶面积，尤其是穗位叶面积的遗传机制，对高效选育高产、优质、抗病、广适玉米新杂交种具有重要意义。

农作物的叶面积是数量性状，一般用QTL（Quantitative trait locus）定位的方法来研究其遗传机制。在农作物叶面积QTL 定位方面，水稻上研究比较多，尤其是对水稻剑叶形状和大小进行了大量的QTL 定位工作[12，13]。而在玉米叶面积QTL的研究中，穗位叶面积相关的报道比较少[14，15]。Agrama等[14]对不同氮水平下玉米穗位叶面积进行了QTL定位，在高氮水平下定位到了3个和穗位叶面积相关的QTL，分别位于第5、8、10染色体上；在氮胁迫条件下定位到4个和穗位叶面积相关的QTL，分别位于第1、3、8、8染色体上。刘建超等[15]利用218个F8的重组自交系为作图群体，对玉米叶面积（穗三叶面积）进行了QTL 定位分析，两年共定位到7个和叶面积相关的QTL 位点。

本研究以叶面积差异显著的超甜玉米自交系T19和T4为亲本配制的F2群体为作图群体，用复合区间作图法在全基因组上检测了穗位叶面积相关QTL，分析了其遗传基础， 为玉米叶面积的遗传改良及分子标记辅助选择奠定基础，为加快高产、耐密和抗倒伏甜玉米育种进程，实现玉米的分子标记辅助选择育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试亲本T4和T19是由仲恺农业工程学院农学院玉米研究组经多年严格自交选育的甜玉米自交系。经多年田间调查，自交系T19的平均穗位叶面积为447.27 cm2，T4为673.56 cm2，两亲本穗位叶面积差异极显著（P<0.01）。

1.2 试验方法

1.2.1 田间试验方法 2009年上半年，在仲恺农业工程学院钟村教学农场选取土壤肥力均匀一致的田块，以T4（P1）和T19（P2）为亲本杂交。2009年下半年，将产生的F1自交获得F2群体。2010年上半年，种植该组合P1、P2、F1和F2材料，严格控制行距和株距，四周设置保护行；同时采用Paterson等[16]的方法提取该组合亲本、F1和F2群体的基因组DNA，于成株期调查各F2单株穗位叶面积，用以检测叶面积QTL。

1.2.2 SSR标记分析及连锁图谱构建 根据Wang等[17]的玉米高多态性SSR引物及已发表的玉米连锁遗传图谱设计引物，检测T4和T19基因组之间的多态性，以F2为作图群体构建遗传连锁图谱。SSR引物由上海Sangon公司合成，参照Zhang等[18]的方法进行PCR扩增、产物电泳和银染。用JoinMap 3.0软件分析标记间的连锁关系，构建分子遗传图谱[19]，图距单位为cM（centi-Morgan）。

1.2.3 QTL分析及命名 性状平均值、标准差等采用Microsoft Excel 2003进行统计分析。采用Windows QTL CartograpHer 2.5结合复合区间作图法在F2群体中检测穗位叶面积QTL[20]。通过1 000次随机抽样确定对数优势比（LOD）阈值，连锁的最低LOD为2.5，最大遗传距离为50 cM。

QTL命名方法参照Mccouch等[21]的方法，按照QTL+性状+QTL序号，其中QTL以小写“q”开始，性状以英文缩写表示，如穗位叶面积以ELA（Ear leaf area）表示，后加数字“1”、“2”、“3”等加以区别。

2 结果与分析

2.1 穗位叶面积正态分布检验结果

对F2单株材料穗位叶面积进行正态分布检验，叶面积统计量见表1。从变幅和变异系数看，群体穗位叶面积性状的变异较大；从偏度和峰值看，叶面积未显著偏离正态分布，符合QTL定位的基本要求，可以进行QTL检测。

2.2 标记连锁图谱构建

从250对SSR引物中筛选出在T4和T19之间有多态性的引物81对，用JoinMap 3.0软件对多态性位点进行连锁关系分析，得到一张含77个位点全长868.7 cM的玉米SSR标记遗传连锁图谱，标记间的平均间距为11.28 cM（图1）。

2.3 甜玉米穗位叶面积QTL定位

将232个F2单株穗位叶面积数据结合分子标记连锁图谱信息，1 000次抽样确定LOD阈值，应用复合区间作图的方法检测到4个QTL，分别位于第4、5、9染色体上（图1，表2）。其中，qELA-1和qELA-4分别位于第4、9染色体上，加性效应值分别为-22.05和-31.81，可分别解释7.18%和11.12%的表型变异；在第5染色体上检测到2个QTL（qELA-2和qELA-3），加性效应值分别为-24.08和-23.74，对表型变异的贡献率分别为5.98%和7.01%。

3 小结与讨论

农作物的株高、叶面积以及产量等农艺性状属于数量性状，自20世纪80年代以来，分子标记技术以及QTL定位方法的快速发展为复杂数量性状的研究提供了强有力的手段。随着分子遗传学的迅猛发展，国内外已经构建了不少主要农作物（水稻、玉米、小麦）的分子标记连锁图谱，为农艺性状的QTL定位和遗传分析打下了基础。叶面积是构成玉米理想株型的重要农艺性状，与玉米产量、耐密性、抗倒伏性及生态适应性密切相关。目前玉米生产中的杂交种叶片总数约在20片左右，在所有叶片中，穗位叶及其上下两叶（合称穗三叶）的光合作用强，对产量的贡献较大。

Agrama等[14]对不同氮水平下玉米穗位叶面积进行了QTL定位，在高氮水平下定位到了3个和穗位叶面积相关的QTL，分别位于第5、8、10染色体上；在氮胁迫条件下定位到4个和穗位叶面积相关的QTL，分别位于第1、3、8、8染色体上。与本试验结果比较，并没有发现与之染色体共位的QTL。说明不同定位群体对于QTL检测影响非常大。此外，由于环境与基因型的互作，同一性状不仅在不同的定位群体中表现不一致，在同一群体的不同种植方式、不同的地理位置或者不同的年份间的表现也往往不一致。

本研究利用2个叶面积有显著差异的超甜玉米自交系为亲本配制组合，在F2单株中检测到4个穗位叶面积QTL，分别位于第4、5、9染色体上。其中，qELA-4位于第9染色体，与刘建超等[15]在第9染色体定位到的QTL可以在两年同时检测到的结论一致。因此可以推测在第9染色体上存在稳定可靠的叶面积QTL，并且其在第9染色体上的贡献率占11.12%，证明第9染色体在控制叶面积上有着比较重要的作用。此定位结果有助于验证和丰富前人的研究结果，并可作为玉米叶面积相关QTG（Quantitative trait gene）的候选基因。在不同品种之间，用穗位叶的茎叶夹角、穗位叶长和叶形可粗略预测果穗和穗轴直径的大小及穗行数的多少。研究这些对应关系将有助于育种工作的开展及产量预测，至于是否可定量预测穗部其他性状特征还有待于进一步研究。

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