新疆玉米苗期耐旱性状全基因组关联分析

常晓春 李建平 郝晓燕 胡文冉 陈 果 高升旗 足木热木·吐尔逊 赵 准 黄全生 *

（1新疆农业科学院核技术生物技术研究所，新疆乌鲁木齐 830091；2新疆农作物生物技术重点实验室，新疆乌鲁木齐 830091）

新疆属于干旱半干旱地区，地下水位逐年下降，可用于农业生产的水资源逐年减少。目前，影响新疆玉米生产最主要的问题是干旱，新疆玉米开花期受到干旱胁迫是导致玉米减产的主要原因。为解析玉米的耐旱性，国外科研人员从数量遗传学角度开展了大量工作，利用传统的QTL定位和关联分析等方法，分析玉米每株穗数、穗长、单穗重、单穗粒数、百粒重等产量性状以及开花—吐丝间隔期（anthesissilking interval，ASI）、株高、穗位高、根的相关性状等耐旱相关性状来间接地确定玉米的耐旱性[1]。以这些性状为基础，大量的玉米耐旱性QTLs被定位。近年来，国内科研工作者在耐旱相关基因研究方面取得了很大进展。研究人员利用来源于30个连锁分析群体共5 000个自交系的玉米NAM群体，对干旱条件下玉米产量和ASI等7个性状进行定位，通过联合连锁分析检测到169个QTLs，这些SNPs位点位于354个候选基因上[2-4]。

国内外科研工作者已在玉米耐旱QTL定位和玉米耐旱相关基因发掘方面取得了一定进展，但这些还远远不能满足目前新疆玉米生产实际的需要。究其原因，主要是目前玉米耐旱性QTL定位主要集中在玉米自交系上，并没有利用生产上应用的玉米杂交种（F1）进行耐旱性QTL位点挖掘。因此，本研究在前期研究的基础上进行玉米F1关联群体的田间耐旱性鉴定与评价，开展全基因组关联分析，并在耐旱性优异的回交材料中进行前景选择，以期获得玉米耐旱优异新种质、新材料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为包含384个杂交种（F1）的玉米关联群体。该群体是利用我国玉米生产中常用的96个自交系为母本、4个骨干自交系（郑58、昌7-2、339M、339F）为父本，依据不完全双列杂交（NCⅡ）设计构建的。这些自交系分别来源于不同玉米生态区，属于不同的杂种优势亚群，具有广泛的遗传基础，是进行耐旱关联分析的良好材料。

1.2 试验方法

1.2.1 耐旱性鉴定。田间试验于2020年5月在新疆玛纳斯生物育种基地和新疆农业科学院综合试验场基地进行，采用 α-lattice 设计（16×16），选地块高低均匀、滴管分流流畅的大田，设置干旱胁迫和常规滴灌2个处理。为了严格进行耐旱相关性状鉴定，本研究中田间水分管理如下：2个处理试验区域均采用滴灌，常规滴灌和干旱胁迫处理播种后头次水浇灌一致，以保证出苗；然后，常规滴灌处理每隔20 d浇水1次，直至收获，保证玉米生长正常需水；干旱胁迫处理在播种后20 d和40 d各浇水1次，玉米开花期前后均不滴灌，至授粉完成后10 d浇1次水保证结实籽粒后期发育，属于中度干旱胁迫。玉米生长期间如遇降雨，根据雨量和持续情况判断下次浇水与否。2个处理之间至少相隔2 m以上，防止水分相互渗透，每个处理2次重复。试验材料为一模两行，行长5 m，株距20 cm，种植密度大约为8.4万株/hm2。

试验期间调查形态性状，记录玉米出苗期、散粉期和抽丝期，于每个生长关键节点考察小区的总株数、结实株数、株高、穗位高、雄穗长度和结实株数百分率。调查标准：出苗期为小区内50%的植株出苗且苗高2 cm的日期；散粉期为小区内50%的植株雄穗散粉的日期；抽丝期为小区内50%的果穗吐丝的日期；株高为由植株基部到顶部的高度，每行测8株；穗位高为由植株基部到主穗穗节的高度，每行测8株；雄穗长度为雄穗第一节到顶部的长度，每行测8株；总株数为小区内存活的植株总数；有效株数为小区内能正常结实的株数。

1.2.2 玉米耐旱性关联分析。通过耐旱性鉴定试验，初步获得了1年的表型数据，在384个F1群体中挑选耐旱性差异显著的极端材料各30份，分为耐旱组与不耐旱组，然后在大田干旱条件下取材提取RNA，混池后进行转录组分析，鉴定差异表达基因。同时，选择耐旱性最好的F1材料，分别用各自亲本（郑 58、昌 7-2、339M、339F）进行回交，利用全基因组关联分析鉴定玉米耐旱性关联位点。

1.3 数据处理方法

利用软件Power Marker V3.25进行遗传多元性、多态性统计分析基因，应用统计分析软件SAS V9.4编程进行典型相关分析、方差分析、因子分析和表型性状数据分析，选择75%以上变异的性状进行耐旱性评价，根据群体中所有单株的基因型以及表型数据进行统计分析[5-6]。

利用全基因组SNP标记构建耐旱相关性状图谱，以玉米高密度分子标记连锁图谱（Intermated B73XMo17 Map，IBM）与 IBM2 2008 Neighbors玉米连锁图谱为参考图谱，产生的IBM neighbors高密度图谱，比对QTL定位的原始图谱与参考图谱，确定玉米抗旱相关QTL的比对标记及坐标，发掘出与目标性状关联的标记位点[7-9]。对表型数据的QTL分析可以得到控制表型的关键基因组区间，通过QTL定位分析杂种优势的形成机制选取重要关联位点及其基因型，控制杂种优势表型性状的基因位点的遗传效应。

2 结果与分析

2.1 玉米耐旱性初步鉴定

在新疆大田条件下，对包含384个杂交种（F1）的玉米关联群体进行初步的耐旱性鉴定，调查获得了开花—吐丝间隔期（ASI）、株高（PH）、穗长（EL）等数据。结果（图1）显示，在干旱胁迫条件下，开花—吐丝间隔期明显长于常规滴灌，株高和穗长明显小于常规滴灌，且都有较大的变异。说明干旱胁迫可使玉米开花—吐丝间隔期（ASI）变长，株高变低，穗长变短。方差分析表明，F1群体中基因型、干旱胁迫对开花—吐丝间隔期都有极显著影响，且基因型与干旱胁迫的交互效应对开花—吐丝间隔期有显著影响；基因型和干旱胁迫对穗长和株高都有极显著影响，干旱胁迫与常规滴灌处理间玉米开花—吐丝间隔期（ASI）、株高（PH）、穗长（EL）差异均达极显著水平。

2.2 玉米耐旱性关联分析

分位数-分位数图纵轴是SNP位点的实际-log10P值，横轴是理论-log10P值（假设SNP与表型不相关），显示了每个SNP位点P值实际值与理论值的差异。从图2（a）曼哈顿图可以看出，利用全基因组关联分析（GWAS）鉴定到16个REC关联的位点，只有3号染色体上有一个很高的峰，这几乎是最理想的GWAS结果。图2（b）这种翘尾巴的形式是最理想的分位数-分位数图结果，可以看到从横坐标大于2开始，GWAS结果的P值与理论P值就有了明显的差距，说明表型和基因型之间确实存在显著的相关关系。曼哈顿图本质上是一个散点图，用于显示大量非零大范围波动数值，最早应用于全基因组关联分析(GWAS)研究展示高度相关位点，以染色体编号为横坐标、以SNP位点相关统计显著性P值的-log10变换值（-log10P）为纵坐标，其中P值为SNP位点相关显著性（SNP位点与表型的关联程度）。

3 结论与讨论

玉米是典型的异交作物，玉米耐旱性的相关性状、形态结构与植株的水分吸收和散失有密切关系，形态结构良好是玉米耐旱的机制之一[10]。玉米生产中广泛应用的是杂交种（F1），但在全基因组水平上直接利用F1群体进行玉米耐旱性QTL的解析鲜有报道。因此，这方面的理论研究大大落后于实际生产需求。研究实例表明，利用F1进行关联分析正在成为一种趋势和研究方向。由于F1产量高、生物量大，利用F1进行遗传学研究，挖掘与实际田间表现有关的遗传信息，能够为作物分子育种提供可以直接利用的遗传和分子信息，从而更高效地推动作物分子育种[11-14]。本研究利用96个自交系为母本、4个骨干自交系为父本，依据不完全双列杂交（NCⅡ）设计构建了包含384个F1的群体，开展了遗传多样性和群体结构等分析。在全基因组学水平对新疆的玉米种质资源进行系统的基因型鉴定，共鉴定到16个REC关联的位点。课题组选定开花—吐丝间隔时间（ASI）、结实率（ESP）、产量（GY）和相对产量（RGY）等指标进行田间耐旱性全基因组关联分析，整合4个指标关联区域，初步获得138个与花期干旱相关的整合区域，能够解释34%～49%的性状表型变异。整合区域与前面16个REC关联区域重叠，其中4个REC关联的单倍型可以有效地区分农艺性状。将为解析玉米耐旱分子机制和培育耐旱玉米新品种提供理论依据与优异耐旱新种质[15-18]。