玉米株高和穗位高的QTL定位

尤诗婷，邓 策，李会敏，吕 蒙，李志敏，刘惠芬

(1.天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300380； 2.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450002)

玉米的株型结构是影响产量的重要因素。株高和穗位高过高会降低种植密度、抗倒伏性、生物产量，过低则不利于光合产物至穗部的有效运转[1]。因此，研究株高和穗位高的遗传机制，对于株高和穗位高适中玉米品种的选育及产量的提高具有重要意义。

随着分子标记的快速发展，在分子水平上剖析株高和穗位高的遗传机制取得了很大进展[2-3]。近年来，研究者们使用不同的群体类型、标记密度和作图方法定位了很多玉米株高和穗位高QTL(数量性状位点)，并克隆出了一些主效QTL基因[4-9]。李浩川等[10]利用郑单958为基础材料构建了包含161个家系的DH(双单倍体)群体，利用107个SSR(简单重复序列)标记，采用CIM(复合区间作图)法分别检测到7个株高、11个穗位高的QTL，分别解释了6.77%～21.31%、5.09%～17.12%的表型变异。胡德升等[11]利用玉米单片段代换系测交群体，通过SSR标记在2个环境下分别定位了16个株高QTL和13个穗位高QTL。张宁等[12]利用B73×Zheng 58构建了包含165个玉米单株的F3:4群体，利用189个SSR标记共定位到5个株高QTL和6个穗位高QTL。殷鹏程[13]构建了包含465个玉米单株的F2分离群体及其F2：3群体，利用1 052对SSR标记，采用CIM法共定位了5个株高QTL和3个穗位高QTL；5个株高QTL解释了3.30%～22.22%的表型变异，3个穗位高QTL解释了8.47%～22.22%的表型变异。LI等[14]构建了玉米F2:3群体和RIL(重组自交系)群体，利用SNP(单核苷酸多态性)标记，采用CIM法，共检测到6个株高QTL和15个穗位高QTL，Bin1.05、Bin5.04～5.05、Bin6.04～6.05区域为株高和穗位高共有QTL区域。何坤辉等[15]利用191个SSR标记，采用ICIM(完备区间作图)法，对玉米F7群体进行QTL定位，共检测到10个株高QTL、8个穗位高QTL。PAN等[16]构建了包含1 887个玉米单株的ROAM(Random-open-parent association mapping)群体，利用56 110个SNP标记，采用JLM(联合连锁作图)法检测到86个控制株高的QTL和96个控制穗位高的QTL，其中，1个新的株高QTLqPH3被进一步精细定位至600 kb区间，包含3个候选基因。前人对玉米株高和穗位高的研究大多使用SSR标记构建遗传连锁图谱，所构建的连锁图谱标记密度低，定位的QTL区间大[10-13,15]，只能用于QTL初步定位。而利用高密度SNP标记构建的连锁图谱，提高了作图分辨率，能对QTL进行精细定位，还能对候选基因进行鉴定，但在玉米株高和穗位高QTL定位方面的研究较少[3,14,16-20]，且未见使用BC2F5回交作图群体的QTL 定位研究。为此，本研究使用2个BC2F5回交作图群体，利用高密度SNP连锁图谱，采用ICIM法对株高和穗位高QTL进行分析，以期挖掘出新的株高、穗位高QTL，为玉米株高和穗位高QTL精细定位、相关候选基因克隆奠定基础。

1 材料和方法

1.1 供试材料

作图群体为2个玉米BC2F5群体，它们是以优良自交系B73为共同亲本，分别与矮秆自交系K22和TY2经过2次回交和5次自交构建而成，分别由89个和95个株系构成。以K22和B73构建的BC2F5群体命名为KBBC2F5群体，以TY2和B73构建的BC2F5群体命名为TBBC2F5群体。

1.2 田间试验设计和表型鉴定

试验于2016—2017年，分别在吉林省榆树市和河南省长葛市2个地点同时进行。田间试验采取随机区组设计，单行区，行长4 m，行距0.66 m，株距0.25 m，2次重复。田间管理措施与当地一致。散粉10 d后，每个家系取中间5个单株，调查株高和穗位高。以地面至雄穗顶端的高度为株高，地面至最上部果穗着生节的高度为穗位高。

1.3 连锁图谱的构建和QTL作图

苗期，取亲本和家系的幼嫩叶片，采用CTAB法提取DNA。使用9.4k SNP芯片对群体和亲本基因型进行测序。在获得SNP标记信息后，筛选有多态性的SNP标记，删除杂合度高(>10%)、缺失率高(>10%)的SNP标记。B73亲本的基因型为“2”，其他亲本的基因型为“0”，杂合基因型为“-1”。使用IciMapping 4.0软件(http://www.isbreeding.net/software.html)中的MAP功能构建遗传连锁图谱，使用BIP功能采用ICIM法进行株高和穗位高QTL作图。

1.4 数据统计分析

2 结果与分析

2.1 不同环境下玉米亲本及BC2F5群体的株高和穗位高及其遗传力分析

由表1可知，亲本B73的株高和穗位高与K22、TY2差异较大，后代株高和穗位高存在广泛的变异。对峰度和偏度进行分析可知，表型数据呈现正态分布。对于KBBC2F5群体，榆树和长葛2个环境下株高的遗传力分别为0.80和0.84，综合两试验点分析，其遗传力为0.54；榆树和长葛2个环境下穗位高的遗传力分别为0.63和0.74，综合两试验点分析，其遗传力为0.43。对于TBBC2F5群体，榆树和长葛2个环境下株高的遗传力分别为0.85和 0.74，综合两试验点分析，其遗传力为0.55；榆树和长葛2个环境下穗位高的遗传力分别为0.88和0.61，综合两试验点分析，其遗传力为0.55。可见，株高和穗位高的遗传力均较高，说明遗传变异是由基因控制的。

表1 玉米亲本、BC2F5群体的株高和穗位高及其遗传力Tab.1 Plant height and ear height of maize parent and BC2F5 population and their heritability

注：PH指株高(Plant height)，EH指穗位高(Ear height)，下同。

Note：PH indicates plant height,EH indicates ear height,the same below.

2.2 不同环境下玉米BC2F5群体株高和穗位高的方差分析

由表2可知，基因型对KBBC2F5和TBBC2F5群体的株高和穗位高的影响均达到极显著水平，说明2个性状受基因控制；环境、基因型×环境对株高和穗位高的影响也均达到极显著水平，说明2个性状均受环境及基因型与环境之间互作的影响。

表2 不同环境下玉米BC2F5群体株高和穗位高的方差分析Tab.2 Analysis of variance for plant height and ear height of maize under different environments

续表2 不同环境下玉米BC2F5群体株高和穗位高的方差分析Tab.2(Continued) Analysis of variance for plant height and ear height of maize under different environments

注：**表示在0.01水平下极显著。

Note：**indicates significance at the level of 0.01.

2.3 玉米BC2F5群体遗传连锁图谱的构建

由表3可知，对于KBBC2F5群体，群体大小为89株，遗传连锁图谱长度为1 993.12 cM，SNP标记数为985个，相邻标记间的平均距离为2.02 cM。对于TBBC2F5群体，群体大小为95株，遗传连锁图谱长度为2 226.90 cM，SNP标记数为1 096个，相邻标记间的平均距离为2.03 cM。

表3 玉米BC2F5群体遗传连锁图谱信息 Tab.3 Genetic linkage map information of maize BC2F5 population

2.4 玉米BC2F5群体株高和穗位高的QTL定位与效应分析

由表4可知，在2个BC2F5群体中共检测到6个控制株高的QTL、7个控制穗位高的QTL。对于株高，在KBBC2F5群体中检测到2个影响株高的QTL，分别位于第2、9染色体，表型贡献率分别为19.41%、13.60%，QTL的加性效应均来自亲本K22；在TBBC2F5群体中检测到4个影响株高的QTL，分别位于第2、6、10染色体，单个QTL表型贡献率在8.36%～29.55%，3个QTL的加性效应均来自亲本TY2，其中，位于第2染色体Bin2.03～2.04区的QTLqPH2-2在2个环境下均被检测到(图1)，表型贡献率为29.55%，加性效应来自TY2亲本，是控制株高的主效QTL。由表4可知，对于穗位高，在KBBC2F5群体中共检测到4个影响穗位高的QTL，分别位于第2、6染色体，单个QTL表型贡献率在10.47%～33.28%，其中，3个QTL的加性效应来自亲本K22，1个QTL的加性效应来自亲本B73。在TBBC2F5群体中共检测到3个影响穗位高的QTL，分别位于第2、3染色体，单个QTL表型贡献率在8.75%～31.86%。其中，2个QTL的加性效应来自亲本TY2，1个QTL的加性效应来自亲本B73，位于第2染色体Bin2.03～2.04区的QTLqEH2-5在2个环境下均被检测到(图1)，表型贡献率为31.86%，其加性效应来自亲本TY2，是控制穗位高的主效QTL。

表4 玉米BC2F5群体株高和穗位高QTL Tab.4 QTLs for plant height and ear height detected in maize BC2F5 population

续表4 玉米BC2F5群体株高和穗位高QTL Tab.4(Continued) QTL for plant height and ear height detected in maize BC2F5 population

图1 玉米BC2F5群体在2个环境下株高和穗位高QTL的分布Fig.1 QTL distribution of plant height and ear height of maize BC2F5 population under two environments

3 结论与讨论

本研究在玉米第2、3、6、9、10染色体上共检测到6个影响株高的QTL和7个影响穗位高的QTL，单个QTL的表型贡献率分别为8.36%～29.55%、8.75%～33.28%，其中，在第2染色体上分别检测到1个稳定的株高QTL(qPH2-2)和1个稳定的穗位高QTL(qEH2-5)。本研究与前人研究结果相比，检测到的控制株高的QTLqPH2-1与于永涛等[21]定位的株高QTL区间相同，均位于第2染色体Bin2.03区；株高QTLqPH6-1、qPH6-2与VELDBOOM等[22]的结果一致，均位于第6染色体Bin6.05区；控制穗位高的QTLqEH3-2与LIMA等[23]和WEI等[24]的结果一致，均位于第3染色体Bin3.09区。值得注意的是，2个稳定的QTLqPH2-2、qEH2-5(均位于第2染色体Bin2.03～2.04区)与前人定位结果不同，可以认为是控制株高、穗位高性状的新位点。本研究鉴定了与株高、穗位高位点连锁的分子标记，为开发株高、穗位高功能标记和进行分子标记辅助选择育种奠定了基础。