曹浩飛， 王 彬,2， 毛克舉， 李衛(wèi)華， 丁 冬， 付志遠(yuǎn)， 胡彥民

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450002; 2.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

抽雄期和吐絲期是反映玉米生育時(shí)期早晚的重要性狀，與玉米的產(chǎn)量、光周期反應(yīng)特性以及地域與季節(jié)的適應(yīng)性有著密切關(guān)系.在作物育種過(guò)程中，既要考慮獲得最長(zhǎng)的光合時(shí)間，又要考慮作物類(lèi)型、生態(tài)區(qū)域特點(diǎn)以及耕作制度，因而適宜的開(kāi)花期是多種作物的重要育種目標(biāo)之一.由于中國(guó)幅員廣闊，不同生態(tài)區(qū)對(duì)玉米品種的生育時(shí)期要求存在較大差異.黃淮海夏玉米區(qū)是中國(guó)重要的玉米產(chǎn)區(qū)之一，該區(qū)一年兩熟(主要為小麥-玉米)，為保證與下茬小麥等作物的銜接，對(duì)玉米生育時(shí)期的要求顯得尤為重要.由于生育時(shí)期表型相對(duì)簡(jiǎn)單，在田間易于獲得相對(duì)準(zhǔn)確的表型值，因此許多學(xué)者對(duì)玉米生育時(shí)期相關(guān)性狀的遺傳機(jī)制和調(diào)控機(jī)理進(jìn)行了大量研究，證明生育時(shí)期相關(guān)性狀是由多基因控制的數(shù)量性狀，并定位了許多影響玉米生育時(shí)期的QTL[1，2].如VELDBOOM等利用Mo 17×H 99的F2:3家系群體，對(duì)玉米散粉期、吐絲期、雌雄開(kāi)花間隔天數(shù)進(jìn)行了定位，將影響散粉期的QTL定位到1，5，6，7，8和9染色體上；影響吐絲期的5個(gè)QTL定位在1，2，6，7，8染色體上，影響ASI的QTL定位在第6條和第8條染色體上[3].AUSTIN等利用Mo l7×H 99的F6:7家系，將控制散粉期的QTL定位到除第10條以外的其他9條染色體上，控制吐絲期的QTL定位到除第3條染色體之外的其他9條染色體上，控制ASI的QTL定位到第2，3，6，8條染色體上[4].目前,在MaizeGDB上已經(jīng)登記的玉米花期相關(guān)性狀的QTL達(dá)201個(gè)(http：//www.maizegdb.org/qtl.php)，其中156個(gè)QTL與散粉期、吐絲期和散粉-吐絲(ASI)直接相關(guān).但是，早期的相關(guān)研究多數(shù)是利用BC1，F(xiàn)2，RIL或DH等初級(jí)作圖群體。這些初級(jí)群體具有構(gòu)群簡(jiǎn)單、速度快等特點(diǎn).但由于遺傳背景的干擾，用初級(jí)群體很難檢測(cè)出效應(yīng)小的QTL，且QTL定位精度較低.群體內(nèi)個(gè)體間不同的遺傳背景是造成QTL 定位偏差的主要原因，只有當(dāng)性狀的遺傳力較高、群體足夠大時(shí)，定位結(jié)果才是準(zhǔn)確的[5].近年來(lái)，染色體片段代換系、導(dǎo)入系、近等基因系等次級(jí)作圖群體在農(nóng)作物重要農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀的遺傳機(jī)理研究中得到了廣泛應(yīng)用[6～8].染色體單片段代換系(SSSL)群體除特定的染色體片段來(lái)源于供體外，其他遺傳組成與受體完全相同，消除了遺傳背景與QTL之間的互作干擾，通過(guò)對(duì)SSSL與受體表型性狀的差異顯著性分析，可以把QTL 定位于染色體代換片段上[9～11]，因此，SSSL群體是農(nóng)作物重要性狀遺傳研究的較為理想群體.本研究以優(yōu)良玉米自交系許178背景的綜3染色體單片段代換系為基礎(chǔ)材料，對(duì)玉米吐絲期、散粉期和ASI等 3個(gè)性狀進(jìn)行了QTL分析，以期鑒定出控制玉米開(kāi)花期相關(guān)性狀的重要QTL，為進(jìn)一步剖析玉米開(kāi)花期相關(guān)性狀的遺傳機(jī)理奠定基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本研究所用試驗(yàn)材料為105個(gè)純合的許178背景的綜3單片段代換系群體(SSSLs)，包含74個(gè)不重復(fù)代換片段，分布在玉米10條染色體上，覆蓋玉米基因組的47.85%[12].

1.2田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以受體親本許178和供體親本綜3作為對(duì)照，于2012-06將單片段代換系群體分別種植在河南省長(zhǎng)葛市尚官曹村試驗(yàn)田和浚縣農(nóng)科院劉寨試驗(yàn)田，每個(gè)地點(diǎn)設(shè)2次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，行長(zhǎng)4 m，行、株距分別為60和25 cm，常規(guī)管理.在田間對(duì)每一個(gè)家系的散粉期和吐絲期分別記載，其中散粉期指從播種至每行50%以上植株雄穗開(kāi)始散粉的天數(shù)，吐絲期指從播種至每行50%以上植株雌穗吐絲的天數(shù)，散粉-吐絲(ASI)是指吐絲期與散粉期相差的天數(shù).

1.3數(shù)據(jù)分析

以每個(gè)材料的散粉、吐絲天數(shù)、散粉吐絲間隔期為原始數(shù)據(jù)，將單片段代換系材料的開(kāi)花期相關(guān)性狀與受體親本許178對(duì)應(yīng)性狀進(jìn)行方差分析，若差異達(dá)到P<0.01的極顯著水平，則認(rèn)為該單片段代換系中來(lái)自綜3的代換片段與受體親本許178相對(duì)應(yīng)的染色體片段具有差異效應(yīng)，即存在目標(biāo)性狀的QTL.在極顯著水平對(duì)QTL進(jìn)行定位的目的主要是為了減少檢測(cè)到QTL假陽(yáng)性，為以后相關(guān)QTL的克隆奠定基礎(chǔ).參照ESHED等[13]的方法估算各個(gè)QTL的效應(yīng)值.

2 結(jié)果與分析

2.1單片段代換系群體開(kāi)花期相關(guān)性狀的表型分析

從表1可以看出，受體親本許178和供體親本綜3在散粉期、吐絲期、ASI等 3個(gè)性狀上存在差異，許178散粉相對(duì)較晚，但雌穗吐絲較早，花期一致；而綜3雄穗散粉較早，但雌穗吐絲較遲，因此，散粉吐絲間隔期較長(zhǎng).在SSSLs群體中，散粉期、吐絲期和ASI 的平均值和變異范圍存在較大差異，如單片段代換系群體在浚縣點(diǎn)的散粉期和吐絲期的變異范圍均為55.0～62.5 d，在許昌點(diǎn)的散粉期變異范圍為55.5～62.0 d，吐絲期的變異范圍則為55.0～64.5 d.盡管在群體水平上，散粉期和吐絲期2個(gè)試點(diǎn)間差異較小，但是ASI在2個(gè)試點(diǎn)間的差異則較大，如浚縣點(diǎn)ASI變異范圍為0～2 d，均值為0.58 d，而許昌點(diǎn)ASI變異范圍則為0～4 d，均值為1.40 d.此外，單片段代換系群體的3個(gè)性狀在2個(gè)試點(diǎn)間均表現(xiàn)為正態(tài)分布，符合數(shù)量性狀遺傳的特點(diǎn).盡管2個(gè)試點(diǎn)在緯度上存在一定的差異，但是生育時(shí)期的影響主要受溫度和光照長(zhǎng)度等自然條件的影響，因此,2個(gè)親本的生育時(shí)期相關(guān)性狀在2個(gè)環(huán)境中出現(xiàn)了一定的差異.

2.2玉米開(kāi)花期相關(guān)性狀的QTL分析

分別對(duì)?？h和許昌的單片段代換系群體花期3個(gè)性狀的表型值與受體親本許178的表型值進(jìn)行方差分析，在P<0.01水平下，許昌點(diǎn)和?？h點(diǎn)共檢測(cè)到3個(gè)玉米花期性狀的47個(gè)QTL，其中散粉期檢測(cè)到14個(gè)QTL，吐絲期檢測(cè)到16個(gè)QTL，ASI檢測(cè)到17個(gè)QTL (表2).在?？h和許昌點(diǎn)分別檢測(cè)到5個(gè)和10個(gè)與散粉期相關(guān)的QTL，其中只有qDTA2-2在2個(gè)環(huán)境中被重復(fù)檢出，該QTL位于玉米染色體2.04 bin，其在?？h、許昌的加性效應(yīng)值為3.04和2.77，與該位點(diǎn)連鎖的分子標(biāo)記是bnlg1018-umc2079-umc1485.

表1 SSSLs群體玉米開(kāi)花期相關(guān)性狀的表現(xiàn)

在檢測(cè)到的16個(gè)吐絲期相關(guān)QTL中，許昌點(diǎn)檢測(cè)到14個(gè)，而浚縣點(diǎn)只檢測(cè)到4個(gè)，其中有2個(gè)QTL在2個(gè)環(huán)境中同時(shí)被檢測(cè)到，其加性效應(yīng)值為3.28～3.78.在2個(gè)試驗(yàn)環(huán)境中重復(fù)檢出效應(yīng)較大且一致的玉米吐絲期QTL主要有2.04 bin的qDTS2-1(umc1541-umc1579)和qDTS2-3(umc2079).其中qDTS2-1在許昌點(diǎn)的加性效應(yīng)值為3.36，在?？h點(diǎn)的加性效應(yīng)值為3.28；而qDTS2-3在許昌點(diǎn)的加性效應(yīng)值為3.78，在?？h點(diǎn)的加性效應(yīng)值為3.71.

在檢測(cè)到的17個(gè)ASI QTL中，許昌點(diǎn)檢測(cè)到12個(gè)，浚縣點(diǎn)檢測(cè)到9個(gè).有4個(gè)QTL在2個(gè)環(huán)境中同時(shí)被檢測(cè)到，其加性效應(yīng)值為0.63～1.38.在2個(gè)試驗(yàn)環(huán)境中重復(fù)檢出、效應(yīng)較大且一致的ASI QTL主要有2.06 bin的qASI2-3(bnlg1396)，4.01 bin的qASI4-1(phi072)，4.11 bin的qASI4-3(mmc0081)和6.04 bin的qASI6-1(umc1105-umc1979-nc009).這4個(gè)QTL位點(diǎn)在?？h點(diǎn)的加性效應(yīng)值均為0.63，而在許昌點(diǎn)，qASI2-3，qASI4-1，qASI6-1 3個(gè)位點(diǎn)的加性效應(yīng)值均為0.88，qASI4-3加性效應(yīng)為1.13.

由表2可以看出，在散粉期檢測(cè)到的14個(gè)QTL和吐絲期檢測(cè)到的16個(gè)QTL中，有9個(gè)散粉期和吐絲期的QTL位于相同的單片段代換系上，且有1個(gè)QTL在2個(gè)環(huán)境中同時(shí)檢測(cè)到，位于染色體2.04 bin.這說(shuō)明散粉期和吐絲期在遺傳上可能是連鎖的，相關(guān)基因成簇地分布在特定的區(qū)段.

3 討論

利用單片段代換系進(jìn)行QTL定位與初級(jí)定位群體相比，前者可有效減少遺傳背景的干擾，提高對(duì)復(fù)雜農(nóng)藝性狀基因定位的準(zhǔn)確性，同時(shí)降低效應(yīng)較大的QTL對(duì)效應(yīng)較小的QTL的遮蓋作用，減少Q(mào)TL之間的互作，能檢測(cè)出遺傳效應(yīng)較小的QTL，從而提高QTL鑒定的精確度和靈敏度，且試驗(yàn)結(jié)果可望直接用于基因功能分析或聚合育種.比較前人的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同群體間定位的結(jié)果不盡相同[14,15]，重復(fù)檢測(cè)到的QTL也較少，表明玉米開(kāi)花期性狀受環(huán)境因素的影響較大，也預(yù)示著控制玉米開(kāi)花期性狀的遺傳基礎(chǔ)較為復(fù)雜.

數(shù)量性狀基因的表達(dá)受環(huán)境因素的影響較大，多年來(lái)科學(xué)家對(duì)利用分子標(biāo)記檢測(cè)到的QTL所提供的遺傳信息的可靠性一直存在爭(zhēng)議.盡管存在顯著的QTL與環(huán)境互作，但很多研究已經(jīng)證明可以在不同環(huán)境下檢測(cè)到那些穩(wěn)定表達(dá)的QTL.例如，STUBER等[16]對(duì)利用M 17×B 73群體檢測(cè)到6個(gè)與產(chǎn)量構(gòu)成因素有關(guān)的QTL，但發(fā)現(xiàn)QTL與環(huán)境之間的互作是不顯著的；VELDBOOM等[17]也發(fā)現(xiàn)，控制株高和開(kāi)花期的QTL可以在不同的環(huán)境中同時(shí)檢測(cè)到，一致性可達(dá)50%.在本研究中，針對(duì)不同開(kāi)花相關(guān)性狀，均檢測(cè)到在2種環(huán)境下相同的QTL.如在本試驗(yàn)中對(duì)ASI這個(gè)性狀，在第6條染色體上的umc1105-umc1979-nc009區(qū)間2種環(huán)境都檢測(cè)到了QTL，說(shuō)明此QTL在2個(gè)環(huán)境中的表達(dá)較為穩(wěn)定.該區(qū)段也是進(jìn)一步定位ASI基因的重要區(qū)域.

表2 2個(gè)環(huán)境中檢出的玉米生育時(shí)期性狀的QTL

對(duì)利用SSSL群體在2個(gè)環(huán)境下檢測(cè)到的47個(gè)與開(kāi)花期相關(guān)的QTL進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn)，在染色體相同區(qū)域的相同標(biāo)記區(qū)間內(nèi)，同時(shí)存在著影響不同性狀的QTL，即存在QTL的成簇分布現(xiàn)象，如本研究在染色體2.04,3.08和6.00同時(shí)存在控制散粉期、吐絲期、ASI的QTL.前人對(duì)玉米農(nóng)藝性狀的QTL分析表明,相關(guān)性狀的QTL常定位于相同染色體區(qū)域[18]，原因可能是來(lái)源于基因的一因多效或基因的緊密連鎖[19].對(duì)于QTL成簇現(xiàn)象，說(shuō)明控制同一性狀的QTL可能不是隨機(jī)分布，而是在染色體上存在著控制某一特定性狀的QTL集中區(qū)域.基因成簇分布現(xiàn)象在作物中普遍存在，它是指相關(guān)性狀的QTL定位于同一染色體的相同或相近區(qū)間，其位置往往很接近.成簇分布QTL緊密連鎖的特性可能是造成這些性狀表型相關(guān)的遺傳原因.由于目前只能將QTL 定位在某個(gè)染色體區(qū)段上，該區(qū)段是否存在1個(gè)QTL或者是多個(gè)QTL效應(yīng)值的累加，需要進(jìn)一步構(gòu)建亞片段代換系群體，通過(guò)不同亞片段代換系的效應(yīng)值分析，才能確定該目標(biāo)基因區(qū)段內(nèi)是否存在一因多效的基因，或者是多個(gè)目標(biāo)性狀候選基因的緊密連鎖.基因的成簇分布特性在遺傳改良中可以起到事半功倍的效果，達(dá)到不同性狀同步改良的目的，在育種實(shí)踐中具有重要意義.

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