玉米籽粒相关性状的QTL 定位

王新涛，李保叶，杨 青，代资举，郝俊杰

（1. 河南省农业科学院 植物保护研究所，河南 郑州 450002；2. 河南省农业科学院 芝麻研究中心，河南 郑州450002；3. 河南省作物分子育种研究院，河南 郑州 450002）

玉米是重要的粮食作物和饲料作物，在国民经济中占有非常重要的地位，而玉米产量的提高是玉米育种者和生产者追求的永恒目标[1]。研究表明，玉米籽粒相关性状如粒质量、粒长和粒宽等是构成产量的主要因素，这些籽粒相关性状与产量具有高度的相关性[2]。因此，从分子水平上解析籽粒粒质量、粒长和粒宽的遗传基础，对于有效开展籽粒相关性状的分子育种进而提高玉米产量具有重要意义。

籽粒粒质量、粒长和粒宽等性状均为多基因控制的数量性状，国内外研究者对籽粒相关性状进行了大量的QTL（Quantitative trait loci）定位分析，对其内在遗传机制研究也在逐渐深入[3⁃4]。MESSMER等[5]通过构建的重组自交系（Recombinant inbred line，RIL）群体定位到8个百粒质量QTL；张向歌等[6]利用74 个单片段代换系，在2 个环境条件下同时检测到2 个粒质量QTL 和2 个粒长QTL；LI 等[7]利用11个RIL 群体进行籽粒相关性状的QTL 定位，检测到146 个与产量和籽粒性状相关的QTL，其中粒质量Lqkwei4和粒长Lqklen4-1在多个环境下被定位在bin 4.05 的临近区间，其最大贡献率分别达到27%和24%；王安贵等[8]利用T32 与齐319 构建的F2:3家系，分别检测到2 个控制粒质量、2 个控制粒长和7个控制粒宽的QTL，单个QTL 可解释4.03%～11.34% 的表型变异。这些籽粒相关性状研究中QTL 定位的数目和位置存在差异，不同的定位结果也反映了玉米籽粒相关性状遗传调控的复杂性。因此，在不同的遗传背景下，发掘更多新的或稳定的控制玉米籽粒性状相关的QTL，有利于进一步解析籽粒性状的遗传机制。为此，以玉米籽粒相关性状存在显著差异的玉米自交系郑58 和D863F 为亲本，构建包含241 个家系的RIL 群体，利用SSR 分子标记对2 a 不同环境下玉米籽粒百粒质量、粒长和粒宽进行QTL 定位，检测稳定表达的QTL，为玉米籽粒相关主效QTL 的精细定位与候选基因分离及产量分子育种提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为玉米籽粒性状存在显著差异的自交系郑58（来自河南省农业科学院粮食作物研究所，是我国推广面积最大的玉米杂交种郑单958 的母本）和D863F（来自中国农业科学院作物科学研究所种质资源库）及含有241 个家系的RIL 群体。其中，RIL 群体是以郑58 和D863F 为亲本，从F2后采用单粒传法连续自交至F7所得。

1.2 田间试验设计

田间试验于2018 年夏季在河南省西平县试验基地（113°36'E、33°10'N）、2019 年夏季在河南省原阳县河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地（113°96'E、35°05'N）进行。供试材料种植行长2 m，行距0.6 m，株距0.25 m，正常田间管理。

1.3 籽粒性状调查

1.4 籽粒相关性状QTL定位

河南省农业科学院郝俊杰课题组前期已经对亲本郑58 和D863F 进行多态性SSR 标记筛选，共鉴定出有差异性的标记215个（数据未发表）。本研究用这215 对引物进行PCR 扩增。PCR 反应体系为10 μL，其中，DNA 模板2.0 μL，上、下游引物各0.4 μL，Mix 5.0 μL，ddH2O 2.8 μL。扩增程序：95 ℃预变性5 min；95 ℃变性60 s，60 ℃退火50 s，72 ℃延伸50 s，35 个循环；72 ℃延伸5 min。PCR 产物在ABI 3500XL 基因分析仪中进行电泳和分析。

河南省农业科学院郝俊杰课题组前期利用JoinMap 4.0 软件构建了该RIL 群体的遗传连锁图谱，图谱全长为1 832.35 cM，平均遗传距离为8.52 cM，并进行了抗病等性状(粗缩病和叶宽)的定位分析[9⁃10]。本研究采用QTL IciMapping 4.0 软件的完备区间作图法对2 a 不同环境下的百粒质量、粒长、粒宽进行QTL 分析，设定LOD（Likelihood of odd）阈值为2.5，PIN（Pvalues for entering variables）设为0.01，通过1 000 次模拟运算检测确定[11]。QTL 命名方式为q+性状名称缩写+染色体，如果同一染色体存在多个QTL位点，则在染色体后加上相应的编号。

2 结果与分析

2.1 玉米亲本和RIL群体籽粒相关性状分析

对玉米亲本及RIL群体的籽粒相关性状进行分析(表1、图1—2)，结果表明，2 a不同环境下，亲本郑58 的百粒质量、粒长和粒宽平均值均高于D863F，均存在显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）差异。RIL群体中不同株系的百粒质量、粒长和粒宽均表现出较大的变异。其中，2 a 百粒质量的变异系数最大，分别为16.18%和15.50%，粒长的变异系数分别为7.49%和7.16%，粒宽的变异系数分别为7.00%和6.39%。除2018 年粒长的峰度绝对值大于1 外，其他性状的峰度、偏度绝对值均小于1，基本符合连续的正态分布，表明籽粒相关性状属于典型的受多基因控制的数量性状，适合进行QTL定位研究。

表1 不同环境下玉米亲本及RIL群体籽粒相关性状分析Tab.1 Traits related with kernel in parents and RIL population under different environments

2.2 玉米RIL群体籽粒性状的相关性分析及遗传力分析

对2 a不同环境下玉米RIL群体的百粒质量、粒长和粒宽进行相关性分析（表2），结果表明，玉米RIL 群体百粒质量、粒长和粒宽两两之间呈极显著正相关。其中，百粒质量与粒宽相关系数最大，2 a分别为0.91 和0.87；粒长与粒宽的相关系数最小，分别为0.63 和0.64。方差分析结果表明，百粒质量、粒长和粒宽均具有较高的广义遗传力，分别为0.86、0.89和0.88(表3)。

表2 玉米RIL群体籽粒性状的相关性分析Tab.2 Correlation analysis among traits related with kernel in maize RIL population

表3 不同环境下玉米RIL群体籽粒相关性状的方差分析Tab.3 Variance analysis on traits related with kernel in maize RIL population under different environments

2.3 玉米RIL群体籽粒相关性状QTL定位

本研究在2 a不同环境下共检测到14个与玉米百粒质量、粒长和粒宽有关的QTL，分别位于玉米的第2、3、4、7 染色体上。其中，第4 染色体上检测到的QTL 增效等位基因来源于D863F，其余QTL 的增效等位基因均来自于郑58，单个QTL 表型贡献率（Phenotypic variance explained，PVE）介于6.42%～13.41%(表4、图3)。

2.3.1 百粒质量QTL 定位 2 a 不同环境下共检测到6 个控制玉米籽粒百粒质量的QTL(表4、图3)，且所有QTL 在2 a 不同环境下定位区间相同，表型贡献率为6.47%～13.41%。其中，位于第2 染色体的q100KW2两年的表型贡献率均大于10%，为主效QTL。

2.3.2 粒长QTL 定位 2 a 不同环境下共检测到3个控制玉米籽粒粒长的QTL(表4、图3)，表型贡献率为6.80%～7.92%。其中，QTLqKL7在2 a 不同环境下定位区间相同；2019 年检测到的qKL4增效等位基因来源于D863F，表型贡献率为7.92%。

2.3.3 粒宽QTL 定位 2 a 不同环境下共检测到5个控制玉米籽粒粒宽的QTL(表4、图3)，其中，QTLqKW3-1和qKW4在2 a 不同环境下定位区间相同。qKW3-1两年的表型贡献率分别为6.42%、7.06%，增效等位基因来源于郑58；qKW4两年的表型贡献率分别为10.66%、8.90%，增效等位基因来源于D863F；2019 年检测到的qKW3-2表型贡献率为12.57%。

2.3.4 百粒质量、粒长、粒宽QTL 共定位 2 a 不同环境条件下，在第4 染色体umc1891—mmc0371 区间内同时检测到控制百粒质量、粒长和粒宽的QTLq100KW4、qKL4和qKW4，表型贡献率最高达10.66%；在第7 染色体umc2333—umc1841 区间内同时检测到控制百粒质量和粒长的QTLq100KW7和qKL7（表4、图3）。

表4 玉米RIL 群体籽粒性状相关QTLTab.4 QTLs related with kernel traits in maize RIL population

3 结论与讨论

百粒质量、粒长和粒宽是玉米产量主要构成因素[12⁃13]。本研究结果表明，玉米籽粒的百粒质量、粒长和粒宽性状存在较大变异，2 a不同环境下百粒质量与粒长、粒宽均呈极显著正相关，表明粒宽和粒长是决定百粒质量的重要因素。张伟强等[14]研究发现，百粒质量与籽粒深度呈极显著正相关；张向歌等[6]研究发现，百粒质量与粒长呈显著正相关，与粒宽呈正相关，这与本研究结果相似。因此，在玉米籽粒性状改良过程中，应充分认识三者的紧密相关性，重视对百粒质量和粒宽/粒长的协同改良。

玉米籽粒相关性状属于多基因控制的数量性状，解析其遗传组成对玉米产量的提高具有重要意义[15]。本研究利用RIL 群体进行玉米籽粒相关性状的QTL 定位，共定位到14 个相关的QTL，包括6 个百粒质量相关的QTL、3个粒长相关的QTL和5个粒宽相关的QTL。其中，在第4 染色体umc1891—mmc0371 区间定位到的控制百粒质量的QTLq100KW4与PENG 等[16]定 位 的 百 粒 质 量QTLQqkwei4一致，在第7 染色体umc2333—umc1841 区间定位到的控制百粒质量QTLq100KW7与赵璞等[17]定位的百粒质量QTLqkwb5一致。马娟等[18]研究发现，玉米第4 染色体（bin4.03—bin4.05）包含控制百粒质量、粒长和粒宽的热点区域，江培顺等[19]在第4（bin4.05）和第7（bin7.02）染色体也发现了影响粒质量的一致性QTL，与本研究的定位结果一致，由此推测以上2 个百粒质量QTL 可靠性较高，具有潜在的育种利用价值。位于第2染色体的控制百粒质量的主效QTLq100KW2至今未见报道，是新发现的QTL，这为分子标记辅助选择育种及粒质量改良提供了重要参考。

研究表明，相同或邻近QTL 具有同时控制多个目标性状的效应，这些定位区域内可能存在不同性状紧密连锁的QTL 或者存在一因多效QTL[20⁃21]。本研究发现，在第4 染色体umc1891—mmc0371 区间同时检测到控制百粒质量、粒长和粒宽的QTL，在第7 染色体umc2333—umc1841 区间也同时检测到控制百粒质量和粒长的QTL，推测定位区间可能存在同时影响百粒质量、粒长、粒宽或者百粒质量、粒长从而影响玉米产量的主效基因。进一步明确这些一因多效QTL 将为后续精细定位和挖掘高产基因奠定基础。