玉米雄穗长的全基因组关联分析

潘顺祥，赵美爱，裴玉贺，郭新梅，宋希云

(1.青岛农业大学 生命科学学院，山东 青岛 266109；2.青岛农业大学 农学与植物保护学院，山东 青岛 266019；3.青岛农业大学，青岛市主要农作物种质创新与应用重点实验室，山东 青岛 266109)

玉米雄穗长的全基因组关联分析

潘顺祥1，3，赵美爱1，3，裴玉贺2，3，郭新梅2，3，宋希云2，3

(1.青岛农业大学 生命科学学院，山东 青岛 266109；2.青岛农业大学 农学与植物保护学院，山东 青岛 266019；3.青岛农业大学，青岛市主要农作物种质创新与应用重点实验室，山东 青岛 266109)

为了阐明雄穗长的遗传基础并定位相关的数量性状位点，利用289份常用玉米自交系为试验材料，在自然条件下测量并分析玉米的株高、穗位高、雄穗柄长与雄穗长的相关性，并利用全基因组关联分析对雄穗长进行初步定位。结果表明，玉米雄穗长与3个农艺性状呈显著相关或极显著相关，其中与雄穗柄长关联最密切，相关系数最高达到0.717。同时共定位出13个与玉米雄穗长相关的标记位点，分别位于Bin1.05、Bin7.02、Bin8.03、Bin10.05处。采用全基因组关联分析的方法发掘雄穗长基因位点及候选基因，对揭示雄穗的遗传机理，加速玉米育种进程具有重要的意义。

雄穗长；相关性分析；全基因组关联分析

玉米雄穗是重要的生殖器官，也是玉米育种中被研究的重要农艺性状。较小的雄穗，不仅减少对养分的消耗，而且能够增加下层叶片的透光性，从而提高产量[1]。玉米雄穗在最顶端，具有顶端优势，而且早于雌穗发育，与雌穗存在竞争关系[2]。长期的玉米生产实践表明，在玉米育种中雄穗具有减小的趋势[3]。雄穗的长短与雄穗大小密切相关，雄穗较短，对应的雄穗相对较小。但在玉米育种过程中，却要选择有发达雄穗的父本，才能保证有足够的花粉，提高育种质量和降低成本[4]。因此，了解雄穗的遗传规律，揭示雄穗发育的分子机理，对加速玉米育种进程具有重要的意义。

玉米雄穗性状属于数量性状，受多基因控制[5]。随着标记技术的发展，QTL定位方法大量应用于数量性状的研究。借助QTL作图，确定控制玉米雄穗长的基因位点，为玉米育种改良提供理论依据。高世斌等[6]检测玉米组合(N87-1×9526)F3家系，在正常和干旱条件下共同检测到1个QTL位点位于2号染色体。许瀚元[7]以DH1M × T877杂交衍生的F2群体为作图群体，在1号和9号染色体上各检测到1个QTL位点。贾波等[8]以苏玉16(JB×Y53)的F2：3家系为试验材料，在5号染色体检测到2个玉米雄穗长的QTL位点。但受到标记密度的限制，QTL检测的置信区间较大、有效性较低，难以为育种提供优良等位基因的信息。而全基因组关联分析(Genome-wide association study，GWAS)具有高分辨率、高通量的优势，有利于鉴定种质资源中的有利基因[9-10]。本研究利用全基因组关联分析结合玉米自然条件下的农艺性状对雄穗长进行初步定位，以期为玉米育种父本的选择提供科学的理论依据和技术支持。

1 材料和方法

1.1试验材料

供试材料为289份玉米自交系构建的自然群体，包括我国骨干自交系及国外引进的优良自交系、青岛农业大学选育的骨干自交系。

1.2田间试验设计

2014年在胶州、枣庄，2015年在青州、洛阳种植289份玉米自交系，3 m行长，0.6 m行宽，每行15株，每个试验点3个重复。在玉米开花后15 d测量全部植株的株高、穗位高、雄穗长、雄穗柄长。

1.3表型数据统计分析

利用SPSS 2.0软件对玉米株高、穗位高、雄穗长、雄穗柄长的表现型数据做相关性分析，同时对玉米雄穗长的表现型数据进行描述统计分析，获得不同环境下雄穗长的均值、方差、标准差、偏度、峰度及直方图。

1.4玉米叶片总DNA的提取及基因型分析

在玉米六叶期时，每个自交系随机选6株在叶片中部用打孔器取样，参照CTAB法提取DNA[11]，送到美国先锋公司利用MaizeSNP50基因芯片进行基因分型。该芯片包括55 126个SNP标记，均匀分布玉米B73的全基因组。SNP基因型检测参照Illumina公司提供的操作指南，采用Illumina BeadStation 500 G SNP分型系统完成。参照Weng等[12]控制基因型数据质量。

1.5SNP基因型的关联分析

从55 126个SNP中剔除缺失率大于20%、杂合率大于10%和最小基因频率低于0.05的标记，剩余25 331个基因型Marker，利用TASSEL 5.0软件对玉米雄穗长进行全基因组关联分析。在P<0.000 1水平上，判定SNP标记与玉米雄穗长的显著性。

2 结果与分析

2.1玉米雄穗长的表型数据分析

将已获得的玉米雄穗长表现型数据导入软件SPSS进行数据统计分析，同时得到不同环境下的直方图，如表1、图1所示。胶州、枣庄、青州、洛阳4个环境玉米雄穗长的均值分别为34.81，35.23，25.35，29.70 cm，方差分别为23.327，44.849，17.321，11.470，标准差分别为4.551，6.697，4.162，3.387(表1)。4个环境下玉米雄穗长表现型数据虽然存在一定差异，但整体呈正态分布，植株具有一定的代表性，符合全基因组关联分析的要求，如图2所示。

表1 不同环境下玉米雄穗长的统计分析Tab.1 Statistical analysis of tassel length in maize under different environments

2.2玉米雄穗长与株高、穗位高、雄穗柄长的相关性分析

用SPSS做出2014，2015年雄穗长与主要农艺性状的相关性分析如表2。由表2可以看出，2014年胶州雄穗长与株高、雄穗柄长均呈极显著正相关，相关系数分别为0.505，0.553，与穗位高呈显著相关，相关系数为0.151。2014年枣庄雄穗长与株高、雄穗柄长呈极显著正相关，相关系数分别为0.430，0.393，与穗位高呈显著相关，相关系数为0.157。2015年洛阳雄穗长与株高、穗位高、雄穗柄长呈极显著正相关，相关系数分别为0.399，0.191，0.252。2015年青州雄穗长与株高、雄穗柄长均呈极显著正相关，相关系数分别为0.251，0.717，与穗位高呈显著相关，相关系数为0.152。

A.2014年胶州雄穗长；B.2014年枣庄雄穗长；C.2015年青州雄穗长；D.2015年洛阳雄穗长。A.Tassel length in Jiaozhou during 2014；B.Tassel length in Zaozhuang during 2014；C. Tassel length in Qingzhou during 2015；D.Tassel length in Luoyang during 2015.

图2 玉米雄穗长全基因组关联分析的Q-Q图Fig.2 Quantile-quantile plot of genome-wide association analysis

2.3玉米雄穗长的全基因组关联分析

将25 331个基因Marker与雄穗长用TASSEL5.0的MLM模型进行全基因组关联分析。图2为全基因组关联分析的Q-Q图，横轴表示经过负的常数对数转换的期望P值，纵轴表示经过负的常数对数转换的观察到的P值。图3为4个环境的曼哈顿图，纵轴间接表示各个标记与性状的关联性。在2014年胶州筛选出5个标记，分布在2，4，7号染色体，如图3-A、表3。2014年枣庄筛选出5个标记，分布在2，4，10号染色体，如图3-B、表3。2015年洛阳筛选出11个标记，分布在1，2，4，5，7，8，9号染色体，如图3-C、表3。2015年青州筛选出13个标记，分布在4，5，7，8，10号染色体，如图3-D、表3。

表2 雄穗长与主要农艺性状的相关分析Tab.2 Analysis on the correlation between the tassel length and the main agronomic traits cm

注：**.在 0.01 水平(双侧)上显著相关；*.在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

Note：**.Correlation is significant at the 0.01 level；*.Correlation is significant at the 0.05 level.

2.4玉米雄穗长的候选基因分析

结合前人的研究结果[13-14]，共筛选出13个标记，分布在Bin1.05、Bin7.02、Bin8.03和Bin10.05处。其中在Bin1.05处筛选出1个标记，在Bin7.02处筛选出10个标记，在Bin8.03处筛选出1个标记，在Bin10.05处筛选出1个标记(表4)。

3 讨论

3.1雄穗长定位结果比较分析

GWAS是一种以连锁不平衡为基础，将SNP均匀分布于全基因组，借助统计学工具分析某一群体目标性状遗传变异的方法。目前，GWAS大量应用于鉴定植物病害、开花期、籽粒性状、株高等性状的研究[12，15-17]。本研究采用289份玉米自交系组成的关联作图群体对玉米雄穗长进行全基因组关联分析，在4个环境中共检测到34个与玉米雄穗长显著关联(P< 0.000 1)的SNP。

A.2014年胶州雄穗长曼哈顿图；B.2014年枣庄雄穗长曼哈顿图；C.2015年洛阳雄穗长曼哈顿图；D.2015年青州雄穗长曼哈顿图。A.Manhatton plot of tassel length in Jiaozhou during 2014；B.Manhatton plot of tassel length in Zaozhuang during 2014；C.Manhatton plot of tassel length in Luoyang during 2015；D.Manhatton plot of tassel length in Qingzhou during 2015.

染色体Chromosome12345678910总数Sum胶州Jiaozhou-1-2--2---5枣庄Zaozhuang-1-3-----15洛阳Luoyang11-22-311-11青州Qingzhou---13-62-113

Tuberosa等[18]提出，相同性状的QTL在不同环境下检测到，且效应方向相同，置信区间、标记区间重叠，可认为是同一QTL位点，Tian等[19]认为连锁定位和关联分析都可以检测数量性状位点，2种方法检测到的位点在位置上大部分具有一致性。本研究检测到的13个标记中，有3个位于已定位的QTL区段内。PZE_101121282位于Bin1.05内，与许瀚元[7]和王玉民[13]的研究结果一致；PZE_108043283位于Bin8.03内，与王玉民[13]的研究结果一致；SYN4826位于Bin10.05内，与付家锋[14]的研究结果一致。4个环境在4号染色体都检测到玉米雄穗长的相关基因位点，说明此染色体极大可能存在与玉米雄穗长相关的基因位点。进一步研究时，可以在此区间适量加大标记密度。但本研究检测到的显著位点并非都与已经定位的QTL重叠，可能是因为前人采用的双亲QTL作图法受亲本种质背景或检测微效QTL功效较低的影响。这表明采用全基因组关联分析策略是一种解析雄穗长遗传结构的有效方法[17]。

表4 13个与雄穗长显著相关的SNP位点Tab.4 The 13 SNP associated with tassel length

3.2候选基因分析

本研究检测出的13个与玉米雄穗长显著关联的SNP标记位点进行扫描分析，得到SNP对应的候选基因。其中crt2为钙网蛋白，该蛋白是内质网/肌浆网主要的Ca2+结合蛋白，通过协助蛋白质正确折叠和维持细胞Ca2+稳态而参与调节细胞凋亡、黏附、类固醇敏感性基因表达和自身免疫反应等[20]。LOC103632297编码磷脂酰肌醇转移蛋白(PITP)，该蛋白普遍存在于真核生物细胞中，PITP能够结合并交换一分子的磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol，PI)或磷脂酰胆碱(Phosphatidylcholine，PC)，并促进这两类脂分子在细胞内膜组分间的转移。PITP对细胞内膜组分间脂类的运输和代谢、分泌囊泡的形成和运输、磷脂酶C(Phospholipase，PLC)调节的信号传导以及神经退化等生理生化过程具有重要的影响[21]。上述基因信息可能为克隆相关基因提供参考借鉴。

玉米雄穗长为多基因控制的数量性状，且受环境影响较大，研究过程比较复杂、可控性差，本试验结果可以为今后研究玉米雄穗长的基因位点提供参考依据，同时为进一步进行玉米雄穗长相关基因位点的精细定位、候选基因的功能及表达分析奠定理论基础，进而为玉米育种提供参考借鉴。

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Genome-wideAssociationAnalysisofTasselLengthinMaize

PAN Shunxiang1，3，ZHAO Meiai1，3，PEI Yuhe2，3，GUO Xinmei2，3，SONG Xiyun2，3

(1.College of Life Science，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China；2.College of Agronomy and Plant Protection，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China；3.Qingdao Agricultural University，Qingdao Key Lab of Germplasm Innovation and Application of Major Crops，Qingdao 266109，China)

In order to explain the genetic basis of tassel length and locate the related QTLs，289 maize inbred lines were used as the experimental material，the correlation between the tassel length of maize and plant height，ear height，tassel stem length were measured and analyzed under natural conditions，and genome association analysis was also applied to initially map the length of tassel. The results showed that tassel length and the three agronomic traits were significantly or extremely significantly correlated，therein，tassel length had the most significant correlation with tassel stem length，and the highest correlation coefficient has reached 0.717.At the same time，a total of 13 marker sites correlated with tassel length were identified and they were located on Bin1.05，Bin7.02，Bin8.03 and Bin10.05. Genome-wide association analysis was used to explore the long locus and candidate genes，which had an important significance to reveal the genetic mechanism of tassel and accelerate the process of maize breeding.

Tassel length；Correlation analysis；Genome-wide association analysis

2017-07-10

国家自然科学基金项目(31371636)；山东省现代农业产业技术体系玉米产业创新团队项目(SDAIT-01-022-01)；山东省农业良种工程；山东省农业生物资源创新利用研究课题和青岛市应用基础研究计划项目(14-2-4-13-jch)

潘顺祥(1990-)，男，山东潍坊人，硕士，主要从事作物遗传育种研究。

宋希云(1961-)，男，山东潍坊人，教授，博士，主要从事玉米遗传育种、生化与分子生物学研究。

Q78；S513.03

A

1000-7091(2017)05-0031-06

10.7668/hbnxb.2017.05.006