胡德升，謝旭東，張向歌，楊慧麗，許蒙蒙，李衛(wèi)華，薛亞東

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州450002;2.河南省農(nóng)業(yè)廣播學(xué)校中牟分校，河南中牟451450)

雜種優(yōu)勢是提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的一種重要遺傳機(jī)制現(xiàn)象，并在玉米、水稻等多種農(nóng)作物中得到廣泛應(yīng)用［1］。由于雜種優(yōu)勢遺傳機(jī)制的復(fù)雜性，盡管已提出了顯性、超顯性和上位性假說來解釋雜種優(yōu)勢形成的遺傳機(jī)制［2－4］，但到目前為止對雜種優(yōu)勢的遺傳機(jī)制仍知之甚少。隨著不同類型的分子標(biāo)記發(fā)展和高密度遺傳圖譜的構(gòu)建，科研工作者借助不同的分離群體，從QTL位點(diǎn)的效應(yīng)值和雜種優(yōu)勢位點(diǎn)對雜種優(yōu)勢形成的遺傳機(jī)制進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步揭示雜種優(yōu)勢形成的遺傳機(jī)制提供了一定依據(jù)［5－10］。株高和穗位高是構(gòu)成玉米株型的2個重要農(nóng)藝性狀。植株過高會降低種植密度、抗倒伏能力和收獲指數(shù)，過低則影響群體通透性、易患病蟲害、降低生物產(chǎn)量;穗位過高易造成植株倒伏，過低則不利于光合產(chǎn)物向穗部的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，育種家對株高和穗位高的關(guān)注僅次于產(chǎn)量及抗性等性狀。由于株高和穗位高表現(xiàn)為典型的數(shù)量性狀遺傳，而且容易獲得準(zhǔn)確的觀測值，許多學(xué)者把株高和穗位高作為模式性狀進(jìn)行了大量研究，定位了許多與株高和穗位高相關(guān)的 QTL［11－15］，并克隆了其中一些控制株高的質(zhì)量性狀基因［16－18］。此外，株高和穗位高具有強(qiáng)優(yōu)勢的遺傳特點(diǎn)，又被作為研究雜種優(yōu)勢遺傳機(jī)制的模式性狀［19］。在數(shù)量性狀研究的不同分離群體中，由于單片段代換系僅有一個代換片段與輪回親本存在差異，因此，單片段代換系的測交或者回交群體被認(rèn)為是鑒定雜種優(yōu)勢位點(diǎn)的一種理想群體，并在雜種優(yōu)勢研究中得到一定的應(yīng)用［20］。本研究利用一套單片段代換系及其測交群體對玉米株高和穗位高數(shù)量性狀位點(diǎn)和雜種優(yōu)勢位點(diǎn)進(jìn)行了分析，以期揭示玉米株高與穗位高形成的遺傳機(jī)制提供基礎(chǔ)材料，并為優(yōu)良玉米新品種的選育提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用的基礎(chǔ)材料是來自中國地方優(yōu)異種質(zhì)唐四平頭類群的184個lx 9801背景的昌7－2單片段代換系材料［21］。2012年冬在海南樂東縣南繁基地利用自交系T 7296與單片段代換系群體測交，組配了一套CSSLs×T 7296的測交群體，其中T 7296來自Reid雜種優(yōu)勢類群，與唐四平頭組成中國黃淮海夏玉米區(qū)一個廣泛利用的雜種優(yōu)勢利用模式。

1.2 試驗(yàn)方法

2013年夏，將單片段代換系(CSSLs)與T 7296的測交群體、對照種T 7296×lx 9801、單片段代換系(CSSLs)群體和3個親本自交系(lx 9801、昌7－2、T 7296)分別種植于河南長葛市試驗(yàn)田和鶴壁市農(nóng)科院試驗(yàn)田(河南浚縣)。測交群體完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，2個重復(fù)，單行區(qū)，行長4 m，每行15株，密度65 250株·hm－2，為提高雜種優(yōu)勢位點(diǎn)檢測的準(zhǔn)確性，每10個測交組合中設(shè)1個對照。CSSLs群體與親本自交系按照同樣的田間設(shè)計(jì)，播種在同一試驗(yàn)田中。在玉米散粉結(jié)束后選取連續(xù)10株分別量取株高和穗位高，其中株高指從地面到植株雄穗主軸頂端的高度(cm);穗位高指地面到第1個果穗著生節(jié)間的高度(cm)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件，對兩點(diǎn)試驗(yàn)材料的產(chǎn)量和穗部性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析。以各試驗(yàn)點(diǎn)lx 9801×T 7296的觀測值作為對照，利用方差分析和t測驗(yàn)比較每個CSSL×T 7296測驗(yàn)種單個性狀與對照種之間的差異，在P≤0.05的顯著水平下認(rèn)為存在相應(yīng)性狀的雜種優(yōu)勢位點(diǎn)。雜種優(yōu)勢效應(yīng)值用中親優(yōu)勢表示，中親優(yōu)勢(%)=［(CSSL×T 7296)表型值－對照表型值］/對照表型值×100%。雜種優(yōu)勢位點(diǎn)命名則以h+性狀英文縮寫+染色體序號+位點(diǎn)序號(如a，b，c…)，如果1條染色體上僅有1個雜種優(yōu)勢位點(diǎn)則表示為:h+性狀英文縮寫+染色體序號。

2 結(jié)果與分析

2.1 測交群體的株高與穗位高雜種優(yōu)勢表型分析

CSSLs×T 7296測交群體的株高和穗位高在2個環(huán)境中均表現(xiàn)出較大的表型變異(表1)。在?？h點(diǎn)測交群體株高的平均值為279.32 cm，變異范圍為263.33 ～295.00 cm，平均中親優(yōu)勢為45.49%;而對照種T 7296×lx 9801的平均株高為278.33 cm，中親優(yōu)勢值為43.50%。在長葛點(diǎn)測交群體的株高平均值略低于?？h點(diǎn)(274.52 cm)，變異范圍為252.70 ～289.93 cm，平均中親優(yōu)勢值為47.15%，而對照的株高平均值為279.00 cm，中親優(yōu)勢值為49.13%。

測交群體在?？h點(diǎn)的穗位高平均值為99.35 cm，變異范圍為87.70 ～111.53 cm，平均中親優(yōu)勢值為76.84%;對照種的平均穗位高為96.87c m，中親優(yōu)勢為70.32%。在長葛點(diǎn)測交群體的穗位高平均值為 102.64 cm，變異范圍為 91.07～115.80 cm，平均中親優(yōu)勢值為89.64%;而對照種的平均穗位高為104.87 cm，中親優(yōu)勢為93.99%。

表1 CSSLs×T 7296測交群體及其對應(yīng)親本的表型分析Table 1 Performance of CSSLs×T 7296 test population and its related parents

2.2 利用單片段代換系群體定位的玉米株高和穗位高數(shù)量性狀位點(diǎn)

利用CSSLs群體在?？h和長葛分別檢測到13和11個株高的QTL，其中有8個QTL在2個環(huán)境中同時被檢測到(表2)。位于第1染色體片段bnlg182－bnlg2238－umc1144上的 qPH1b，在?？h點(diǎn)和長葛點(diǎn)的加性效應(yīng)分別為4.26和7.07 cm，可解釋株高表型變異的2.10%和3.72%;位于第1染色體上另外1個株高QTL qPH1c在?？h和長葛中的加性效應(yīng)和貢獻(xiàn)率分別為－8.74(4.32%)和 －6.89 cm(3.63%)。位于第3染色體上的qPH3a和qPH3c在?？h和長葛點(diǎn)的加性效應(yīng)和貢獻(xiàn)率分別為 －8.59(4.24%)和 －6.06 cm(3.19%)，－13.79(6.81%)和 －4.96 cm(2.61%)。第 4 染色體上定位了1個共同的QTL(qPH4)，其加性效應(yīng)及表型變異分別為 －5.11(2.52%)和 －4.96 cm(2.61%)。第6染色體上的qPH6c在?？h和長葛的加性效應(yīng)分別為－12.24和－5.78 cm，可解釋株高表型變異的6.05%和3.04%。第8染色體上的qPH8在?？h和長葛的加性效應(yīng)及表型變異分別為 －26.09(12.89%)和 －19.33cm(10.17%)。第9染色體上的qPH9a在?？h和長葛的加性效應(yīng)分別為－10.43和－11.36 cm，可解釋株高表型變異的 5.15%和 5.98%。

表2 CSSLs群體中檢測到的株高和穗位高QTLTable 2 QTL detected for plant height and ear height in the CSSLs population

續(xù)表2 Continuing table 2

穗位高在2個環(huán)境中共檢測到13個不同的QTL，在?？h和長葛分別檢測到9和8個QTL，有4個QTL在2個環(huán)境中同時被檢測到。第1染色體上的qEH1c在?？h和長葛的加性效應(yīng)分別為10.58和 7.96 cm，可解釋穗位高表型變異的15.09%和12.20%。位于第3染色體上的qEH3a在?？h和長葛點(diǎn)的加性效應(yīng)及表型變異分別是－5.76(8.21%)和 －6.79 cm(10.42%)。第 7 染色體上共檢測到2個共同的QTL，其中qEH7a在浚縣和長葛的加性效應(yīng)及表型變異分別為14.90(21.25%)和7.42 cm(11.38%);qEH7b 在?？h和長葛點(diǎn)的加性效應(yīng)及表型變異分別為 －7.13(10.17%)和 －11.13 cm(17.06%)。

3.3 利用單片段代換系測交群體定位的玉米株高與穗位高雜種優(yōu)勢位點(diǎn)

CSSLs×T 7296測交群體?？h和長葛分別檢測到6個和5個株高雜種優(yōu)勢位點(diǎn)(HL)，其中有2個HL在2個環(huán)境中同時被檢測到(表3)。位于第1染色體上株高雜種優(yōu)勢位點(diǎn)h3PH1a在?？h和長葛點(diǎn)可以使株高與對照相比分別降低4.43%和5.59%;而第8染色體上的株高雜種優(yōu)勢位點(diǎn)h3PH8b位于染色體區(qū)段dupssr14－phi233376上，該位點(diǎn)在浚縣和長葛與對照相比可以使株高分別降低 2.83%和 8.16%。

CSSLs×T 7296測交群體在?？h和長葛點(diǎn)各檢測到4個玉米穗位高的HL，其中2個HL在2個環(huán)境中被同時檢測到，主要分布在第1，3，5，7，8 和9染色體上(表3)。第8染色體上的穗位高雜種優(yōu)勢位點(diǎn) h3EH8位于染色體片段 bnlg1194－umc2352－bnlg2235上，在?？h和長葛與對照相比可以使穗位高分別增加13.83%和10.43%;第9染色體上穗位高雜種優(yōu)勢位點(diǎn)h3EH9位于染色體片段bnlg1272－bnlg1810上，在浚縣和長葛與對照相比可以使穗位高分別降低6.33%和17.99%。

表3 CSSLs×T 7296雜交群體中檢測到株高和穗位高雜種優(yōu)勢位點(diǎn)Table 3 HL detected for plant height and ear height in CSSLs×T 7296 test population

續(xù)表3 Continuing table 3

3 結(jié)論與討論

由于雜種優(yōu)勢的表現(xiàn)受基因型、環(huán)境、基因×基因互作以及基因×環(huán)境互作等多種因素的綜合影響［22］，因此，準(zhǔn)確度量某一雜種優(yōu)勢的表型值是對雜種優(yōu)勢位點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位的前提。在雜種優(yōu)勢研究過程中，前人曾用F2、RIL或DH的測交或回交群體、三交群體、“永久F2”群體等對多個農(nóng)作物重要農(nóng)藝性狀的雜種遺傳機(jī)制進(jìn)行了剖析，但是，由于上述分離群體遺傳背景的復(fù)雜性，很難將雜種優(yōu)勢位點(diǎn)直接剖分為單基因水平［5－10］。為簡化分離群體遺傳背景的復(fù)雜性，近期有學(xué)者利用單片段代換系與輪回親本構(gòu)建的回交群體對多個生物的雜種優(yōu)勢形成的遺傳機(jī)制進(jìn)行了剖析，檢測出多個性狀雜種優(yōu)勢位點(diǎn)的染色體片段［23－26］，為雜種優(yōu)勢基因的克隆奠定了材料基礎(chǔ)。由于雜種優(yōu)勢的表現(xiàn)除單基因水平外，還存在著全基因水平上多個基因的互作，因此，在全基因組雜合的基礎(chǔ)上對單個雜種優(yōu)勢位點(diǎn)進(jìn)行分析，可以更為準(zhǔn)確地確定雜種優(yōu)勢位點(diǎn)。

在玉米株高與穗位高雜種優(yōu)勢遺傳機(jī)制研究過程中，湯繼華等［27］利用一套永久F2群體定位了10個玉米株高的HL，分布于玉米的7條染色體上。WEI等［28］利用一套玉米單片段代換系與非輪回親本的回交群體對玉米株高和穗位高的雜種優(yōu)勢位點(diǎn)進(jìn)行了分析，分別定位了9個株高和穗位高的HL。本研究利用一套中國優(yōu)異地方種質(zhì)唐四平頭的2個優(yōu)良自交系lx 9801和昌7－2的單片段代換系為基礎(chǔ)材料，通過與來自 Reid類群的T 7296測交群體，分別檢測到9個和6個株高與穗位高的雜種優(yōu)勢位點(diǎn)，其中株高和穗位高各有2個雜種優(yōu)勢位點(diǎn)在2個環(huán)境中同時被檢測到，同時發(fā)現(xiàn)控制株高和穗位高的3個QTL和HL分別位于相同的染色體片段上，說明株高和穗位高的表型性狀和雜種優(yōu)勢可能有部分相同的基因控制。本研究為進(jìn)一步解析玉米株高與穗位高雜種優(yōu)勢形成的遺傳機(jī)制提供了材料基礎(chǔ)。

［1］ BRUCE A B.The mendelian theory of heredity and the augmentation of vigor［J］.Science，1910，32:627 －628.

［2］ EAST E M.Heterosis［J］.Genetics，1936，21:375 －397.

［3］ KEEBLE F，PELLEW C.The mode of inheritance of stature and of time of flowering in peas(Pisum sativum L.) ［J］.Genetics，1910，1:47 －56.

［4］ JONES D F.Dominance of linked factors as a means of accounting for heterosis［J］.Genetics，1917，2:466 －479.

［5］ SHULL G H.The composition of a field of maize［J］.Am Breeders Assoc Rep，1908，4:196－301.

［6］ LU H，ROMERO-SEVERSON J，BERNARBO R.Genetic basis of heterosis explored by simple sequence repeat markers in a random-mated maize population ［J］.Theor Appl Genet，2003，107:494 －502.

［7］ STUBER C W，LINCOLN S E，WOLFF H T，et al.Identification of genetic factors contributing to heterosis in a hybrid from elite maize inbred lines using molecular markers［J］.Genetics，1992，132(11):823 －839.

［8］ XIAO J H，LI J M，YUAN L P，et al.Dominance is the major genetic basis of the heterosis in rice as revealed by QTL analysis using molecular markers［J］.Genetics，1995，140:745－754.

［9］ HUA J P，XING Y Z，WU W R，et al.Single-locus heterotic effects and dominance by dominance interaction can adequately explain the genetic basis of heterosis in an elite hybrid［J］.PNAS，2003，100(5):2574－2579.

［10］ KUSTER B，PIEPHO H P，UTZ H F，et al.Heterosis for biomass-related traits in Arabidopsis investigated by quantitative trait loci analysis of the triple testcross design with recombinant inbred lines ［J］.Genetics，2007，177:1839－1850.

［11］ AUSTIN D F，LEE M，VELDBOOM L R.Genetic mapping in maize with hybrid progeny across testers and generations:plant height and flowering［J］.Theor Appl Genet，2001，102:163 －176.

［12］ BEAVIS W D，GRANT D，ALBERTSEN M，et al.Quantitative trait loci for plant height in four maize populations and their associations with qualitative genetic loci［J］.Theor Appl Genet，1991，83:141 －145.

［13］ BERKE T，ROCHEFORDd T.Quantitative trait loci for flowering，plant and ear height，and kernel traits in maize［J］.Crop Science，1995，35:1542－1549.

［14］曹永國，王國英，王守才，等.玉米RFLP遺傳圖譜的構(gòu)建及矮生基因定位［J］.科學(xué)通報，1999，40:2178－2182.

［15］VELDBOOM L R，LEE M.Genetic mapping of quantitative trait loci in maize in stress and nonstress environments:Ⅱ.Plant height and flowering［J］.Crop Science，1996，36:1320－1327.

［16］ BENSEN R J，JOHAL G S，CRANE V C，et al.Cloning and characterization of the maize An1 gene［J］.Plant Cell，1995，7(1):75 －84.

［17］SPRAY C R，KOBAYASHI M，SUZUKI Y，et al.The dwarf－1(d1)mutant of Zea mays blocks three steps in the gibberellin-biosynthetic pathway［J］.PNAS，1996，93(19):10515－10518.

［18］ WINKLER R G，HELENTJARIS T.The maize dwarf 3 gene encodes a cytochrome P450-mediated early step in Gibberellin biosynthesis［J］.Plant Cell，1995，7(8):1307－1317.

［19］嚴(yán)建兵，湯華，黃宜勤，等.不同發(fā)育時期玉米株高QTL的動態(tài)分析［J］.科學(xué)通報，2003，48(18):1959－1964.

［20］ SEMEL Y，NISSENBAUM J，MENDA N，et al.Overdominant quantitative trait locus for yield and fitness in tomato［J］.PNAS，2006，103:12981 －12986

［21］李衛(wèi)華，王洪秋，袁亮，等.利用單片段代換系群體定位玉米穗部性狀的QTL［J］.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，47(2):143 －146.

［22］ZHANG Y，LI YX，WANG Y，et al.Stability of QTL across environments and QTL-by-environment interactions for plant and ear height in maize［J］.Agricultural Sciences in China，2010，9:1400－1412.

［23］MER H W，LI Z K，SHU Q Y，et al.Gene actions of QTL affecting several agronomic traits resolved in a recombinant inbred rice population and two backcross population［J］.Theor Appl Genet，2005，110:649 －659.

［24］ SHEN G J，ZHAN W，CHEN H X，et al.Dominance and epistasis are the main contributors to heterosis for plant height in rice［J］.Plant Science，2014，215/216:11－18.

［25］ WANG Z Q，YU CY，LIU X，et al.Identification of indica rice chromosome segments for the improvement of japonica inbreds and hybrids ［J］.Theor Appl Genet，2012，124:1351－1364.

［26］YU CY，WAN J M，ZHAI H Q，et al.Study on heterosis of inter-subspecies between indica and japonica rice(Oryza sativa L.)using chromosome segment substitution lines［J］.China Sci Bull，2005，50:131 －136.

［27］湯繼華，馬西青，滕文濤，等.利用“永久F2”群體定位玉米株高的QTL與雜種優(yōu)勢位點(diǎn)［J］.科學(xué)通報，2006，51(24):2864－2869.

［27］ WEI X Y，WANG B，PENG Q，et al.Heterotic loci for various morphological traits of maize detected using a single segment substitution lines test-cross population［J］.Molecular Breeding，2015，35(3):1－13.