基于高密度连锁图谱定位玉米株高QTL

刘敬贤 黄亚群 陈景堂

摘要：为了解析株高性状的遗传基础，以X178和NX531为亲本构建的124份RIL群体为研究材料，基于高密度SNP标记构建的包含7 278个bin的bin-map连锁图谱，对辛集、保定2个地点RIL群体的株高、穗位高、穗位系数3个性状进行QTL定位分析，共检测到16个QTL位点，有9个QTL的表型贡献率大于10.00%。其中辛集检测到7个，单个QTL表型贡献率范围4.67%～13.94%;保定检测到9个，单个QTL表型贡献率范围0.35%～25.56%。在2个环境下检测到qEHX3和qEHB3的置信区间存在重叠。在第1连锁群上289.16～296.77 Mb发现控制株高的qPHB1和穗位高的qEHB1-2定位区间相邻。在bin1.07定位到的qPHX1-1区间内存在br2（brachytic2）基因，bin1.09～1.1定位到的qPHX1-2区段内存在d8（dwarf8）基因，bin3.07定位到的qEHX3区段内存在ccd8基因，这3个基因影响节间的伸长，与株高、穗位高的发育相关。该研究结果为株高相关性状QTL精细定位、克隆提供理论依据。

关键词：玉米;株高;穗位高;穗位系数;高密度连锁图谱

中图分类号：S513.03  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）13-0038-04

随着我国农业的快速发展，全程机械化生产是解决“三农”问题的关键。玉米倒伏直接影响机械化生产，而品种自身抗倒能力的强弱直接决定了能否采用机械化生产。在玉米的诸多株型性状中，株高、穗位高与玉米抗倒能力密切相关。Horner等以F44和F6为材料进行7轮回交选择，发现穗位降低9%，倒伏率减少25%[1]。张泽民等研究表明，通过降低穗位系数，可以提高其抗倒性[2]。付志远等研究发现，穗上节间数与穗位高及穗位系数显著相关，可以通过增加穗上节间数来减小穗位系数，增强玉米的抗倒性能[3]。而选育抗倒、适合于机械化收获的玉米品种，必须了解株高、穗位高等性状的遗传机制。

一些研究者已发现株高、穗位高性状受主基因+多基因控制，且基因的加性、显性和上位性效应均起作用;在不同的遗传群体中这些基因作用的大小有差异，以基因的加性效应为主[4-6]。严建兵等利用简单序列重复（SSR）等分子标记对株高等性状进行定位研究，发现了一些与玉米株高、穗位高有关的数量性状基因座（QTL）[7-10]。这些相关QTL因其定位区间大，目前还没有应用于育种实践。虽然，杨梅利用所设计的SSR和Indel标记对玉米第3染色体上控制株高的主效QTL qPH3.2.1、qPH3.2.2、qPH3.3進行了精细定位，分别将定位区间缩小到7.6、7.2、11 Mb，仍无法精准地预测到候选基因[11]。

随着高通量、操作简便、成本低廉的第3代测序技术广泛应用，利用高密度的单点多态（SNP）标记检测控制数量性状的关键位点已成为众多学者的研究工具[12-13]。在高粱[14]、玉米[15]、水稻[16]、小麦[17]、棉花[18]等多种作物上均有利用SNP标记对株高等性状进行定位分析的报道。Wang等利用SNP标记对玉米株高进行定位，发现在控制株高的QTL区间内存在na1、td1和d3[19]。

虽然Sheridan[20]等学者，利用玉米突变体发现了与株高相关的基因，但对这些基因几乎未能实现克隆[20-21]。到目前为止，只有Teng等对ZmGA3ox2基因进行了克隆[22]。而利用高通量的SNP标记可将位点定位到较小的区段，实现目标性状位点的精细定位和候选基因的有效预测。本研究采用玉米自交系X178和NX531为亲本构建的重组自交系（RIL），对株高相关性状进行调查，并利用高密度的连锁图谱对其进行定位，挖掘株高相关性状紧密连锁的分子标记，检测主效QTL区域，为株高相关性状QTL克隆和分子标记辅助育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以玉米农大108亲本之一X178和农单5亲本之一NX531杂交，以单粒传法连续自交构建的124份F9重组自交系（RIL）为试验材料。农大108和农单5均为国家审定品种，具有广泛种植面积。

1.2 试验设计

RIL群体及其2个亲本于2017年分别在国家玉米改良中心河北分中心试验基地（简称保定，BD，38°87′N，115°47′E）和河北农业大学辛集试验基地（简称辛集，XJ，37°94′N，115°22′E）进行春播（4月20日）和夏播（6月18日）。2个试验点均采用随机区组试验设计，单行区，2次重复，小区行长 3.0 m，行间距0.6 m，种植密度设置为 75 000株/hm2，并设置保护行。保定试验点，无前茬作物，播种前施农家肥作为基肥，在播种前和拔节期各浇灌1次水;辛集试验点，前茬作物为小麦，施用三元（N ∶ P2O5 ∶ K2O=18 ∶ 20 ∶ 5）复合肥做基肥，播种后进行浇水。其他田间管理同大田生产。

1.3 株高相关性状测定指标及方法

在玉米成株期，对辛集和保定2个试验点RIL群体每株系选取3株进行株高（plant height，简称PH）、穗位高（ear height，简称EH）的测定，并计算穗位系数（ear height coefficients，简称EHC）[18]。株高：地面至雄穗顶部的距离（cm）;穗位高：地面至穗位节处的距离（cm）;穗位系数：穗位高与株高的比值。

1.4 表型数据统计分析

利用SPSS 19.0对所调查株高、穗位高和穗位系数进行描述性统计分析、正态性Kolmogorov-Smirnov检验。

1.5 遗传连锁图谱的构建及QTL定位分析

采用7 278个bin标记构建的覆盖全基因组2 017.13 Mb bin-map遗传图谱[23]，根据复合区间作图法（complex interval mapping，简称CIM），使用R/qtl软件包中的cim_scan命令，对株高、穗位高、穗位系数进行QTL定位，window设为10 cM。运行参数为默认值，LOD值设置为2.5，QTL置信区间用1.5个LOD值衰减方法进行判定，用R命令的1 m来计算每个QTL的加性效应及其对应的表型贡献率。

2 结果与分析

2.1 RIL群体及其亲本株高相关性状的表型统计分析

保定和辛集2个试验点RIL群体及其亲本株高、穗位高、穗位系数表型数据统计分析结果见表1。对亲本株高、穗位高、穗位系数3个性状进行差异显著性t检验发现，亲本X178的株高、穗位高在辛集环境下极显著低于亲本NX531（P<0.01），亲本X178的穗位高在保定环境下显著高于亲本NX531（P<0.05）。RIL群体株高、穗位高、穗位系数在2个环境下的最大值均高于相应的高值亲本，最小值均低于相应的低值亲本，表现为双向超亲分离，具有较大的变异范围。对RIL群体株高、穗位高、穗位系数的分布状况进行单样本K-S检验，P值为0.796～0.997，说明3个性状均服从正态分布。RIL群体株高、穗位高、穗位系数3个性状表现典型的数量性状特征，符合QTL定位的要求。

2.2 高密度遗传连锁图谱的构建

利用已获得的7 278个重组bin标记，构建的高密度bin标记遗传图覆盖全基因组2 017.13 Mb，相邻的2个bin之间的物理距离最大为3.28 Mb，最小为80.00 kb，平均为 277.00 kb;构建的遗传连锁图谱总长为2 569.00 cM，相邻的bin标记之间平均遗传距离为0.35 cM。

2.3 RIL群体各个株型相关性状的QTL分析

对玉米RIL群体株高、穗位高、穗位系数3个性状进行QTL定位分析，共定位到16个QTL（表3），其中在辛集检测到7个，分布在1、2、3、4号染色体上，单个QTL表型贡献率为 4.67%～13.94%，其中有4个QTL的表型贡献率大于10.00%，单个QTL的遗传图距为4.27～17.79 cM，物理距离为1.67～10.21 Mb，其中有2个QTL的物理距离在5.00 Mb以内;在保定检测到9个，分布在1、3、4、7号染色体上，单个QTL表型贡献率范围为0.35%～25.56%，其中有5个QTL的表型贡献率大于10.00%，单个QTL的遗传图距为2.07～18.83 cM，物理距离为1.14～10.35 Mb，其中有6个QTL的物理距离在 5.00 Mb 以内。

株高定位到5个QTL，分布在1、7染色体上，可解释 7.23%～19.44%的表型变异。在第1染色体269.04 Mb位置上的qPHX1-2可解释13.94%的表型变异，在第7染色体147.51 Mb位置上的qPHB7-2可解释19.44%的表型变异，并且qPHX1-2和qPHB7-2的增效等位基因均来自母本X178。穗位高定位到6个QTL，分布在第1、2、3、7染色体上，可解释0.35%～25.56%的表型变异，其中定位到4个QTL的表型贡献率大于10.00%，qEHX2和qEHB3的增效等位基因均來自父本NX531，qEHX3和qEHB7的增效等位基因均来自母本X178，其中bin3.07（204.75 Mb）位置上的qEHX3和bin3.07～3.08（207.74 Mb）位置上的qEHB3的峰值物理位置相距5.98 Mb，其置信区间存在重叠，说明该区段上控制穗位高的QTL具有较强的稳定性与可靠性。第1连锁群上在289.16 Mb～296.77 Mb之间发现控制穗位高和株高QTL定位区间临近，可能是存在紧密连锁的控制株高、穗位高的基因，也可能是一因多效。穗位系数检测到6个QTL，分布在2、4、7染色体上，可解释4.67%～17.55%的表型变异，3个QTL的表型贡献率大于10.00%，其中在第4染色体bin 4.05（71.63 Mb）位置上的qEHCB4可解释的表型贡献率最大。

3 结论与讨论

本研究发现辛集、保定2个环境下株高、穗位高和穗位系数表型值间相关关系与QTL定位相关性近似一致。如株高与穗位高表现出高度的相关关系，在第1连锁群上 289.16 Mb～296.77 Mb发现控制株高的qPHB1和穗位高的qEHB1-2定位区间临近。这一研究结果也证实了其他研究试验[24]。李清超等在多个区域同时检测到控制株高和穗位高的QTL，并且株高和穗位高具有较强的相关关系[24]。

株高、穗位高是重要的农艺性状，是抗倒、机械化收获的重要指标参数。本研究利用高密度连锁图谱，检测到16个与株高、穗位高、穗位系数相关的QTL。该定位结果与前人研究进行比较，发现本研究在第1染色体17.66～19.60 Mb区段检测到的控制穗位高的qEHB1-1，位于李浩川等定位到的穗位高QTL区间内[25];在第3染色体194.77～204.98 Mb区段检测到控制穗位高的qEHX3和202.53～208.51 Mb区段检测到控制穗位高的qEHB3，在第3染色体上检测到控制穗位高的QTL与杨晓军等[9]、Guan等[21]、Li等[26]的定位结果存在重叠，并且qEHX3和qEHB3的峰值物理位置相距 2.99 Mb;在第7染色体133.38～137.80 Mb区段检测到控制穗位高的qEHB7，该QTL位于杨晓军等在第7染色体上检测到控制穗位高的QTL定位区间内[9];在第2染色体39.27～47.46 Mb区段检测到控制穗位系数的qEHCX2-1，与李浩川等定位到的穗位高QTL区间存在重叠[25]。Guan等在qEHX3定位区间内发现ccd8基因，通过影响玉米节间的伸长，影响玉米穗位高[21]。依据这些位点在不同的群体、不同试验环境均被检测到这一结果，认为qEHB1-1、qEHX3、qEHB3、qEHB7、qEHCX2-1是真实存在的，为遗传稳效QTL，是控制株高的重要位点。

本研究在bin1.07（201.23～202.9 Mb）区段定位到株高的qPHX1-1，其定位区间仅有1.67 Mb，生物信息学研究发现在该区域内存在br2（brachytic2）基因。玉米中br2基因编码ABC转运体，参与生长素的极性运输，玉米br2的突变主要影响下部茎节间的生长[27]。在bin1.09-1.10（264.11～274.14 Mb）位置上定位到株高的qPHX1-2，在这一区段内存在d8（dwarf8）基因。拟南芥、小麦、玉米中的GAI，Rht-1和d8为直系同源基因，GAI、Rht-1和d8基因编码含有SH2结构域，类似于核转录因子的蛋白质，可能参与赤霉素信号转导[28]。在bin3.07（194.77～204.98 Mb）位置上定位到株高的qEHX3，在这一区段内存在ccd8（carotenoid cleavage dioxygenase8）基因。Guan等发现ccd8基因参与独角金内酯的信号转导途径，Zmccd8突变会显著降低茎直径，影响植株节间的伸长，使不定根发育迟缓[21]。

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