黄色玉米籽粒颜色相关性状的QTL定位

，，Michael Lee，，

(1.浙江农林大学农业与食品科学学院，浙江省农产品品质改良技术研究重点实验室，浙江 临安 311300；2.江苏神农大丰种业科技有限公司，江苏 盐城 224055；3.爱荷华州立大学农学系，美国爱荷华 艾姆斯 50011)

玉米籽粒颜色是区分不同品种最直观的指标之一，也是影响玉米营养价值、加工品质和商品质量的因素之一[1]。近来有研究报道，籽粒颜色与其种子的发芽率有一定相关性[2]。另外，玉米籽粒内的色素具有良好的功效，可有效缓解视疲劳症状，消除体内自由基并增强抗氧化性，从而达到防癌的作用[3-6]。对玉米籽粒颜色相关性状进行QTL定位，可为分子标记辅助育种奠定理论基础。目前，对玉米籽粒颜色的遗传研究一直停留在传统观念上。一些研究表明，玉米籽粒颜色是受一系列复等位基因控制，不同颜色之间并非独立遗传，其遗传规律受少数主效基因控制或多个微效基因控制，且可能存在基因连锁现象[7-10]。

然而，迄今为止，国内外对玉米籽粒颜色相关性状的QTL定位研究颇少，目前尚无定论。本研究以278个玉米IBM Syn 10 DH系和其亲本种子为研究对象，利用SNP分子标记遗传图谱，采用复合区间作图法，对黄色玉米籽粒的RGB和灰度值进行QTL初步定位，旨在了解玉米籽粒颜色的遗传基础，挖掘与玉米籽粒颜色相关的QTL/基因，为基因克隆和分子辅助育种奠定理论基础。

图1 B 73籽粒和Mo 17籽粒的对照图(左为B 73，右为Mo 17)

1 材料与方法

1.1 材 料

试验所用材料为玉米自交系B 73、Mo 17及其后代群体IBM Syn 10 DH系种子。实验表明，玉米自交系B 73、Mo 17在籽粒颜色上有显著差异，B 73籽粒颜色为黄色偏白色，Mo 17籽粒颜色偏黄红色。

1.2 方 法

1.2.1 表型鉴定

随机选取2份亲本种子样品(Mo 17和B 73)和278个玉米IBM Syn 10 DH系各30粒，整齐排列进行扫描，再利用相关软件(Adobe Photoshop CS 6、Seed Identification 软件)处理扫描图片，获得亲本玉米和278个玉米IBM Syn 10 DH系种子颜色相关的表型数据，然后取每个品种30个重复的平均数，整理与颜色性状有关的相关指标R值、G值、B值和灰度值平均值，以此作为亲本表型鉴定的依据数据。

1.2.2 SNP分子标记图谱的建立

利用Join Map 4.1进行6 618个Bin标记的两点最大似然遗传距离分析，得到全部标记的遗传分群信息。然后利用MSTMap软件中的Kosambi map功能进行每个分群内的标记初步排序，最后利用JoinMap 4.1进行排序后的标记的遗传重组率和遗传距离的精细计算，进而构建出IBM Syn 10 DH群体的高密度遗传连锁图谱[11]。

1.2.3 QTL定位

采用QTL Cartographer Unix version 1.17软件，按复合区间作图法进行QTL定位。QTL定位过程中，每个环境下的每个性状均单独在α=0.05显著水平下进行1 000次排列检验，确定各性状QTL的LOD阈值，LOD的置信区间默认为10 cM，背景标记5个，采用正向-反向逐步回归法控制背景，步长设为1 cM。然后根据各性状的阈值进行QTL定位，并分析QTL的主效效应和上位互作效应。

2 结果与分析

2.1 亲本及Syn 10 DH 群体颜色性状的表型鉴定

鉴定玉米种子颜色性状的指标有多种，一般是通过肉眼观察以区分颜色性状差异，但存在较大的误差。利用随机选取的玉米自交系B 73和Mo17各30粒进行扫描，进而得到与颜色性状有关的R、G、B值和灰度值等指标，以此作为亲本颜色性状的表型鉴定数据。由表1可知，Mo 17和B 73的R值、G值、B值和灰度值均呈极显著差异。对IBM Syn 10 DH群体的278个株系进行表型鉴定，测定其RGB值和灰度值，结果如表1所示。在这278个株系中，R值介于121和243.1之间，其中R值大于240的有12个株系，且IBM 98的R值达到243.1。G值介于141和238.5之间，其中IBM 67、IBM 68、IBM 163、IBM 174、IBM 192、IBM 260的G值均超过220，而且IBM 68的G值达到238.5。B值介于63.1和240.9之间，IBM 1、IBM 4、IBM 5、IBM 7、IBM 10、IBM 12、IBM 13、IBM 15、IBM 16的B值均超过230，而IBM 168、IBM 212、IBM 213、IBM 234的B值均未超过70。灰度值介于156.8和219.9之间，其中IBM 163、IBM 174、IBM 187、IBM 192、IBM 260的灰度值均大于215，且IBM 163的灰度值达到219.9。

总体来说，IBM Syn 10 DH群体中4个性状均存在较为丰富的表型变异。由表1中的标准差和变异系数来看，群体中4个性状的离散程度均已达到定位的要求，B值这一性状的群体离散程度最大。而且群体中表型多数介于两个亲本之间，只有少数低于Mo 17的表现或高于B 73的表现。群体中这4个性状数据均呈正态分布(图2)，足以印证黄色玉米中颜色表型的变异是连续的，由多基因控制，属于数量性状遗传。

2.2 QTL定位结果分析

检测到与R(红色)性状紧密连锁的QTL共1个，且位于8号染色体上，该QTL在染色体上的位置是10.21 cM，而离其最近的Maker是chr 08.103.5，贡献率为4.16%，LOD值为2.87，LOD值大于2.5,加性效应值为3.67，说明其增效等位基因来源于B 73(表2)。

检测到与G(绿色)性状紧密连锁的QTL共3个，第1个位于2号染色体上，且在染色体上的位置为207.18 cM，而离其最近的Maker是chr 02.2072.5；第2个位于3号染色体上，且在染色体的位置为230.36 cM，而离其最近的Maker是chr 03.2304.5；第3个位于8号染色体上，且在染色体上的位置是12.11 cM,而离其最近的Maker是chr 08.122.5。这3个QTL的贡献率分别为4.47%、3.43%、2.98%，且LOD值均大于2.5,加性效应值分别为-3.89、-3.44、3.05，负值说明其增效等位基因来源于Mo 17，正值说明其增效等位基因来源于B 73(表2)。

表1 278个Syn 10 DH系及其亲本籽粒颜色性状表型鉴定结果

注：表中不同大写字母表示平均值在p<0.01水平上差异极显著。

图2 控制玉米籽粒的颜色性状在DH群体中的分布

表2 控制黄色玉米颜色性状的QTL定位结果

检测到与B(蓝色)性状紧密连锁的QTL共6个，其中位于2号染色体上的QTL共2个，离其位置110.93 cM和188.58 cM的2个QTL最近的Maker分别是chr 02.1116和chr 02.1887；离位于5号染色体的位置为5.78 cM的QTL最近的Maker是chr 05.58.5；位于9号染色体上的QTL共2个，其位置分别为22.34 cM和146.59 cM，离两者最近的Maker分别是chr 09.225.5和chr 09.1467.5；离位于10号染色体位置为24.88 cM的QTL最近的Maker是chr 10.250.5。这6个QTL的贡献率为2.96%～6.69%，LOD值在2.57～5.38之间，且位于2号染色体和9号染色体的QTL贡献率均大于6.00%，贡献率较高，且LOD值均大于4.8。位于9号染色体上的2个QTL加性效应值为负，其余QTLs的加性效应值均为正，表明9号染色体上G性状的增效等位基因来源于Mo 17，2、5、10号染色体上G性状的增效等位基因来源于B 73(表2)。

图2 控制黄色玉米籽粒颜色的QTL在连锁群中的分布

检测到与灰度值紧密连锁的QTL共1个，位于5号染色体，其位置为216.86 cM，离该QTL最近的Maker是chr 05.2171，其贡献率为4.49%，LOD值为3.17，加性效应值为-3.95，表明灰度性状的增效等位基因来源于Mo 17(表2)。

如图2所示，最终的QTLs定位在黄色玉米2号、3号、5号、8号、9号、10号染色体上。其中2号染色体上控制G值的qSG 2-1遗传图距为207.18 cM，控制B值的qSB 2-2遗传图距为188.58 cM，2个QTL相距较近，而且其贡献率分别为4.47%和6.07%，故此2号染色体遗传图距188.58～207.18 cM之间极有可能存在控制黄色玉米籽粒颜色性状的主效QTL。8号染色体上控制R值的qSR 8-1遗传图距为10.21 cM，控制G值的qSG 8-1遗传图距为12.11 cM，在8号染色体遗传图距10.21～12.11 cM之间极可能存在控制黄色玉米籽粒颜色性状的一系列数量性状位点。

3 结论与讨论

现今对玉米籽粒颜色的相关研究主要集中在玉米籽粒色素的成分研究上[12]，而目前国内外对种子籽粒颜色性状的 QTL 定位研究主要集中在高粱[13]、白菜[14]、油菜[15]、芝麻[16]等作物上，而针对控制黄色玉米籽粒颜色性状QTL定位方面的报道很少。仅有的涉及玉米籽粒颜色性状QTL定位的几篇文献，其研究深度还停留在初步确定颜色性状为连续分布的且由多基因控制的数量性状的研究阶段[7-10]。本研究以亲本B 73×Mo 17构建的278个IBM Syn 10 DH系为作图群体，通过结合图像处理[17]的颜色特征表型鉴定结果以及群体性状的SNP分子标记的基因鉴定结果，采用基于混合线性模型的复合区间作图法, 对控制黄色玉米籽粒颜色性状的基因位点进行定位。

其结果发现，基于RGB值和灰度值共检测到11个QTL，分布在2、3、5、8、9、10号染色体上。其中，控制R值的QTL只有1个，位于8号染色体上，贡献率为4.16%，加性效应为3.67，说明增效等位基因来源于B 73。控制G值的QTL有3个，位于2、3、8号染色体上，贡献率分别为4.47%、3.43%、2.98%，加性效应为-3.89、-3.44、3.05。8号染色体上的qSG 8-1加性效应值为正，说明增效等位基因来源于B 73；另外2个控制G值的QTL加性效应值为负，增效等位基因来源于Mo 17。控制B值的QTL有6个，位于2、5、9、10号染色体上，贡献率为2.96%～6.69%，9号染色体上的2个QTL加性效应值为负，增效等位基因来自于Mo 17；其余4个QTL加性效应值均为正，增效等位基因来自B 73。控制灰度值的QTL位于5号染色体上，贡献率为4.49%，加性效应为-3.95，说明增效等位基因来源于Mo 17。在2号染色体上，控制G性状的基因与控制B性状的基因距离紧密；在8号染色体上，控制G性状的基因与控制R性状的基因距离仅差1.9 cM的距离，可能存在非常紧密的连锁关系。