玉米胚大小及其相关性状的QTL分析_李晓伟.pdf

分子植物育种，2023 年，第 21 卷，第 3 期，第 866-875 页Molecular Plant Breeding,2023,Vol.21,No.3,866-875研究报告Research Report玉米胚大小及其相关性状的 QTL 分析李晓伟1马海林2张人予1王敏1杨小红1李建生1*1 中国农业大学,国家玉米改良中心,农业部玉米生物学重点实验室,北京,100193;2 山西省农业科学院玉米研究所,忻州,034000*通信作者,摘要胚大小在调控玉米籽粒营养组成及籽粒大小方面扮演着重要角色，解析玉米胚大小自然变异的遗传基础对玉米籽粒品质和产量的协同改良具有重要意义。本研究利用由普通玉米自交系 B73 和高油玉米自交系 By804 组配的 RIL 群体，结合高密度的 SNP 遗传图谱同时对玉米胚大小、籽粒大小和油分等 15 个性状进行 QTL 定位分析，共鉴定到 82 个 QTL，包括 38 个胚大小性状 QTL、23 个籽粒大小性状 QTL 和 21 个油分性状 QTL。每个 QTL 解释的表型变异范围为 2.50%26.32%，平均为 7.94%。QTL 的置信区间变幅为0.352.8 Mb，平均长度为 11.6 Mb；置信区间小于 5、10 和 20 Mb 的 QTL 占所有 QTL 的比例分别为 32.9%、58.5%和 79.3%。对检测到的 QTL 位点进行共定位分析鉴定到 15 个 QTL 热点区域，其中 10 个热点区域至少调控胚大小、籽粒大小、油分等三类性状中的两类，5 个 QTL 热点区域只控制一类性状。在上述热点区域内，鉴定到已克隆的控制玉米籽粒油分的主效基因 DGAT1-2 和影响籽粒发育的基因 Dek15。这些结果为玉米籽粒品质改良提供了重要信息。关键词玉米;胚大小;籽粒大小;油分性状;QTLQTL Analysis of Maize Embryo Size and Its Related TraitsLi Xiaowei1Ma Hailin2Zhang Renyu1Wang Min1Yang Xiaohong1Li Jiansheng1*1 MOA Key Laboratory of Maize Biology,National Maize Improvement Center of China,China Agricultural University,Beijing,100193;2 Maize Re-search Institute,Shanxi Academy of Agricultural Sciences,Xinzhou,034000*Corresponding author,DOI:10.13271/j.mpb.021.000866AbstractMaize embryo has a critical role in controlling kernel nutrition components and kernel size.An under-standing of the genetic control for the natural variation of maize embryo size will be beneficial to future coordinatedimprovement of kernel nutrition and grain yield.In this study,we used the RIL population derived from commoninbred line B73 and high-oil inbred line By804,combined with high-density SNP genetic map to simultaneouslyanalyze 15 traits including embryo size traits,kernel size traits and kernel oil traits.A total of 82 QTL were iden-tified,including 38 QTL for embryo size traits,23 QTL for kernel size traits and 21 QTL for oil traits.The pheno-typic variance explained by each QTL ranged from 2.50%to 26.32%,with an average of 7.94%.The QTLs confi-dence interval ranged from 0.352.8 Mb,with an average length of 11.6 Mb;QTL with confidence intervals lessthan 5,10,and 20 Mb accounted for 32.9%,58.5%,and 79.3%of all QTL,respectively.Co-localization analysisof the detected QTL loci identified 15 QTL hotspots,of which 10 hotspots regulate at least two of the 3 classesof traits(embryo size,oil and kernel size),and 5 hotspots only control one class of traits.In the above-mentionedhotspots,the cloned major gene DGAT1-2 that controls maize kernel oil content and the gene Dek15 that affectskernel development were identified.The results of this study can provide references for the improvement of maize基金项目：本研究由国家自然科学基金创新研究群体科学基金项目(31421005)资助引用格式：Li X.W.,Ma H.L.,Zhang R.Y.,Wang M.,Yang X.H.,and Li J.S.,2023,QTL analysis of maize embryo size and Its relatedtraits,Fenzi Zhiwu Yuzhong(Molecular Plant Breeding),21(3):866-875.(李晓伟,马海林,张人予,王敏,杨小红,李建生,2023,玉米胚大小及其相关性状的 QTL 分析,分子植物育种,21(3):866-875.)grain yield and quality in the future.KeywordsMaize;Embryo size;Kernel size;Oil traits;QTL玉米在满足全世界粮食和饲料安全供给方面发挥着不可替代的作用。玉米胚占籽粒干重的 10%左右，然而胚中却积累了约 85%的油分、10%20%的蛋白质及约 50%的维生素 E(Shen and Roesler,2011;Diepenbrock et al.,2017;Larkins et al.,2017)。油分中的能量(卡路里)是淀粉的 2.25 倍(Shen and Roesler,2011)，因此通过增加玉米胚大小可以获得更多的能量。然而，高油玉米选择实验结果表明，随着胚占整个籽粒比例的增加，玉米籽粒有减小的趋势(Lambertet al.,2004;Moose et al.,2004)，暗示胚大小、籽粒大小和籽粒营养成分之间存在关联性。定位控制玉米胚大小的数量性状位点(quantitative trait loci,QTL)并研究胚大小和籽粒大小及油分的关系对玉米营养品质和产量改良具有重要意义。从 20 世纪 80 年代以来，研究人员获得了多个玉米籽粒突变体(包括 defective kernel,embryo specific和 empty pericarp)，克隆了约 30 个控制玉米胚或籽粒发育的基因并研究了它们的遗传调控机理(Mc-Carty,2017;Daietal.,2021)。然而，有关玉米胚大小自然遗传变异的研究目前还很少(Yangetal.,2012;Zhanget al.,2012)。马海林等(2009)利用 B73By804 组配的重组自交系(recombinant inbred line,RIL)群体，分析了玉米籽粒大小和籽粒油分的相关性，发现籽粒长宽比和籽粒油分呈显著负相关(r=-0.19)，粒重体积比和油分呈显著正相关(r=0.23)。Yang 等(2010)构建了包含228 个简单重复序列(simple sequence repeats,SSR)标记的遗传图谱，定位了玉米籽粒总含油量及脂肪酸组分的 QTL，发现主效 QTL、微效 QTL 及上位性互作共同控制籽粒油分。Yang 等(2012)进一步将玉米籽粒含油量剖分成多个组分，包括胚大小、胚/胚乳比率、胚油分等 8 个性状，定位了控制这些组分性状的QTL，发现超过 90%的籽粒油分 QTL 和组分性状QTL 位于基因组的相同区段。随着分子标记技术的不断发展和完善，操作复杂、检测费时费力的 SSR 标记逐步被高通量的单核苷酸多态性(single nucleotidepolymorphism,SNP)标记取代，基于高密度的 SNP 标记构建的遗传图谱为进一步精细定位控制玉米胚大小及其相关性状的位点提供了强有力的工具(Yan etal.,2010;Ganal et al.,2011)。本研究利用 B73By804 的 RIL 群体，借助于高密度的 SNP 遗传图谱，定位了控制玉米胚大小、籽粒大小和油分性状的 QTL，并研究了三者之间的关系。本研究结果将加深我们对玉米胚大小、籽粒大小及油分性状遗传基础的认识；鉴定到的参与调控多个性状的 QTL 热点区域将为未来玉米籽粒品质的改良提供重要信息。1结果与分析1.1胚大小及相关性状表型变异及相关性分析亲本 B73 和 By804 籽粒和胚的形态具有明显的差异(图 1)，在由其组建的 RIL 群体中，胚大小、籽粒大小和油分等 15 个性状(表 1)都表现出丰富的变异(图 2)，且具有较高的广义遗传力(图 4)。除胚长和胚厚两个性状外，其他胚大小性状和 3 个油分性状在RIL 群体中的变异均介于低亲 B73 和高亲 By804 之间。除粒宽外，其他籽粒大小性状则表现出明显的超亲分离(图 2)。所有性状广义遗传力变幅为 47.1%(粒厚)到 91.1%(胚/胚乳比率)。3 个油分性状的广义遗传力的平均值(83.2%)依次大于 7 个胚大小性状(69.8%)和 5 个籽粒大小性状(65.0%)的广义遗传力的平均值。宽度性状(粒宽,75.6%;胚宽,80.4%)的遗传力大于长度性状(粒长,68.5%;胚长,55.5%)和厚度性状(粒厚,47.1%;胚厚,59.7%)的遗传力。3 个油分性状间呈高度正相关(r 为 0.760.95,P2.2010-16)(图 3)。胚宽长比率和胚长之间呈显著负相关(r=-0.31,P=1.9610-6)，胚宽长比率和胚厚之间相关不显著(r=0.10,P=1.3010-1)，其他胚大小性状间均呈显著正相关(r=0.250.99,P2.1010-4)。对于籽粒大小性状，除粒长和粒厚间不相关(r=0.1,P=1.3610-1)外，其他籽粒大小性状间均呈明显正相关图 1 RIL 群体亲本 B73(左)和 By804(右)的胚和籽粒Figure 1 Embryos and kernels of the parental lines B73(left)andBy804(right)玉米胚大小及其相关性状的 QTL 分析QTL Analysis of Maize Embryo Size and Its Related Traits867分子植物育种Molecular Plant Breeding(r=0.540.99,P2.2010-16)。7 个胚大小性状中和籽粒油分相关性最高的为胚/胚乳比率(r=0.82,P10%)的 QTL，暗示了不同性状间遗传结构的差异性。同时，借助高密度的 SNP 遗传图谱，鉴定到的 QTL 也具有较高的精度，有助于后期精细定位和功能基因的克隆。1.3不同性状QTL的共定位分析本研究对胚大小、籽粒大小和油分等性状进行的 QTL 共定位分析鉴定到了 15 个 QTL 热点区域(共定位的 QTL 个数3)，其中 4 个 QTL 热点区域共定位的 QTL 个数5，分别位于第 1 染色体 70 Mb和 210 Mb、第 4 染色体 180 Mb 及第 9 染色体 130 Mb(图 5)。对于胚大小、籽粒大小和油分等三类性状，10 个 QTL 热点控制至少两类性状，其他 5 个QTL热点控制一类性状。在第 6 染色体 97.9106.5Mb的只控制 3 个油分性状的 QTL 热点区域中鉴定到了已经被克隆的控制玉米籽粒油分的主效基因 DG-AT1-2(Chr.6:105,027,581105,034,465 bp,B73_Ref_Gen_v3)，该基因通过影响胚油密度来调控籽粒含油量(Zheng et al.,2008)。在该位点鉴定到的控制胚油密度的 QTL 的置信区间为 102.4106.5 Mb，精确覆盖 DGAT1-2，表明了本研究 QTL 定位分析的精确性。第 4 染色体 173.7185.1 Mb 的 QTL 热点区域控制百粒重、粒体积、百胚重、胚体积、胚宽、胚长和胚/胚乳比率等 7 个性状，在该位点内鉴定到通过突变体分析克隆的控制玉米籽粒发育的基因 Dek15(Chr.4:180,085,456180,105,548 bp,B73_Ref_Gen_ v3)，该基因编码的蛋白通过调控染色体分离来控制籽粒的发育(He et al.,2019)，暗示该基因有可能参与玉米籽粒大小和胚大小自然变异的调控。2讨论本研究利用由普通玉米自交系 B73 和高油玉米自交系 By804 组配的 RIL 群体，同时考察了玉米胚大小、籽粒大小和油分共 15 个性状，对表型变异和性状间相关进行了分析。借助于由高密度 SNP 标记构建的遗传连锁图谱，对控制上述 15 个性状的 QTL进行了检测，并对鉴定到的控制不同性状的 QTL 进行了共定位分析，检测到多个 QTL 热点区域。本研究对玉米胚大小、籽粒大小及油分性状遗传结构的剖析加深了我们对其自然变异遗传基础的认识，同时可以为未来玉米籽粒品质的改良提供重要信息。相比 SSR 标记，SNP 标记在玉米基因组上的分布更加丰富和均匀，同时已开发的高通量 SNP 检测芯片可以加速玉米遗传分析中的基因型鉴定过程(Yan et al.,2010;Ganal et al.,2011)。本研究使用包含56 110 个 SNP 标记的 MaizeSNP50 BeadChip 对 RIL图 4 控制 15 个性状的 QTL 的效应值Figure 4 Effects values of QTL controlling 15 traits图 5 控制 15 个性状的 QTL 的共定位分析注:深灰色矩形代表染色体,其上的浅灰色矩形代表着丝粒区域;彩色填充矩形代表各性状检测到的 QTL 的物理区间;红色垂直线代表基因的物理位置Figure 5 Co-localization analysis of QTL controlling 15 traitsNote:The dark gray rectangles represent chromosomes,and thelight gray rectangles on them represent the centromere regions;The color-filled rectangles represent the physical intervals of theQTL detected for each trait;The red vertical lines represent thephysical positions of the genes872群体进行基因型鉴定(Ganaletal.,2011)，其中 15285 个SNP 在 B73 和 By804 中具有多态性，用于遗传连锁图谱的构建。构建的遗传图谱全长 1 790.2 cM，包含2496 个 Bin，相邻标记间的平均遗传距离为 0.117 cM(Pan et al.,2016)。相比利用 SSR 标记构建的遗传图谱，由高密度的 SNP 标记构建的遗传图谱对连锁群体中发生的重组事件的捕获能力更高，因此可以提高 QTL 定位的精度。Yang 等(2012)利用 228 个 SSR标记构建的遗传图谱对本研究考察的 15 个性状中的 8 个进行了 QTL 定位分析。本研究中这 8 个性状检测到的 QTL 和 Yang 等(2012)报道的结果相比，绝大部分 QTL 在染色体上的分布位置一致，但是也有少数 QTL 特别是微效 QTL 的定位结果存在差异。造成上述差异的原因主要有两方面：(1)本研究使用的 QTL 检测方法(复合区间作图)和 Yang 等(2012)使用的方法(混合线性模型)不同；(2)两个研究使用的遗传图谱不同。相比 Yang 等(2012)报道的 QTL 结果，本研究检测到的 QTL 定位精度更高：QTL 置信区间的平均长度为 11.6 Mb，超过 30%的 QTL 置信区间小于 5 Mb，60%的 QTL 置信区间小于 10 Mb。如在第 6 染色体 105 Mb 鉴定到一个仅影响油分性状的 QTL 热点区段精确覆盖了已克隆的控制含油量的主效基因 DGAT1-2。相比 Yang 等(2012)的报道，本研究不仅分析了胚大小和油分性状，还同时对籽粒大小性状进行了 QTL 定位，从而可以在遗传水平上研究不同类别性状遗传结构的异同。如第 4 染色体 180 Mb 的 QTL 热点区域控制了 7 个性状，其中检测到的胚/胚乳比率 QTL 的置信区间准确覆盖已克隆的控制玉米籽粒发育的基因 Dek15，暗示该基因有可能同时参与玉米胚大小和籽粒大小自然变异的调控。此外，相比大部分 SSR 标记缺少最新的物理位置信息，本研究定位的 QTL 结果包含准确的染色体物理定位信息(B73_Ref_Gen_v3)，从而便于其他研究者参考。玉米籽粒油分是复杂的数量性状，由多个 QTL位点调控(Yang and Li,2018)。影响玉米籽粒油分的两个主要因素为胚/胚乳比率和胚油密度(Yang et al.,2012;Zhang et al.,2012)。在以往的高油玉米育种项目中，人工选择高含油量的玉米会引起玉米籽粒中胚的相对比例增加(Lambert et al.,2004;Moose et al.,2004;Song and Chen,2004)，而胚组织增大的同时会挤压胚乳在籽粒中所占的空间。在伊利诺伊州高油群体和 Alexho 合成群体中，籽粒含油量与淀粉含量和籽粒大小呈负相关(Lambert et al.,2004;Moose etal.,2004)。一方面，在不改变胚大小的情况下，可通过增加胚内积累的油的密度来适度增加籽粒含油量，以避免胚乳变小和籽粒变小的负面影响。另一方面，由于玉米籽粒的胚组织富含油分、蛋白质和维生素E 等营养组分，可以在育种中适当增加胚的比例，从而在不影响产量的前提下增加籽粒油分等营养成分。因此，剖析控制玉米胚大小自然变异的遗传基础并研究胚大小和籽粒营养组成及籽粒大小的关系，对培育高产优质玉米新品种具有重要意义。本研究鉴定到了 15 个 QTL 热点区域，其中 10 个热点区域至少调控胚大小、籽粒大小和油分等三类性状中的两类，其余 5 个 QTL 热点区域只控制其中一类性状，如第 4 染色体 15 Mb 区域、第 6 染色体 150 Mb区域只控制籽粒大小性状；第 5 染色体 150 Mb 区域、第 9 染色体 130 Mb 区域仅控制胚大小性状；第6 染色体 105 Mb 区域只控制油分性状。上述结果表明不同性状的遗传调控既存在共享，又各具特异性，暗示了这些性状间存在复杂的遗传相关。上述检测到的影响多个性状的 QTL 热点可能是由同一个具有多效性的基因控制，也可能是多个功能基因的紧密连锁，这需要未来进行更深一步的研究。在玉米改良实践中，合理的育种方案需要综合考虑和评估改良可能产生的多种效应。本研究通过对玉米胚大小、籽粒大小和油分等三类性状同时进行分析，鉴定到的 QTL 热点区域可以为育种改良提供参考。例如，通过对上述 5 个仅影响单一类别性状的 QTL 热点区域进行挖掘，可以特异性地对玉米籽粒营养进行改良。一个成功的案例是利用 DGAT1-2的有利等位基因对玉米杂交种 郑单 958 进行改良的实践。携带 DGAT1-2 优良变异的改良杂交种籽粒含油量从 3.8%提高到 4.5%，但不影响产量(Zheng etal.,2008;Hao et al.,2014)。同时，本研究在第 5 染色体 150 Mb 鉴定到的 QTL 热点区域同时控制百胚重、胚体积、胚宽、胚/胚乳比率等 4 个胚大小性状，第9 染色体 130 Mb 的 QTL 热点区域同时控制百胚重、胚体积、胚长、胚厚和胚/胚乳比率等 5 个性状。上述两个 QTL 热点区域仅影响胚的大小及胚占籽粒的比例，而不影响籽粒的大小。因此，可以通过开发这两个 QTL 热点区域的优良等位变异来增大胚以提高籽粒营养，从而对玉米品质进行精准改良。3材料与方法3.1 RIL群体组配及遗传图谱构建普通玉米自交系 B73 和高油玉米自交系 By804玉米胚大小及其相关性状的 QTL 分析QTL Analysis of Maize Embryo Size and Its Related Traits873分子植物育种Molecular Plant Breeding杂交并自交 7 代构建的 RIL 群体共包含 245 个家系(Yang et al.,2010)。使用包含 56 110 个 SNP 标记的MaizeSNP50 BeadChip(Ganal et al.,2011)对 RIL 群体进行基因型鉴定，基因型数据处理及遗传图谱构建过程在先前报道中有详细描述(Pan et al.,2016)。SNP物理位置为 B73_Ref_Gen_v3(Schnable et al.,2009)。3.2田间试验RIL 群体于 2005 年和 2006 年分别种植于中国农业大学昌平试验站(北京)和上庄试验站(北京)。每个年份内，采用完全随机区组法，设 3 个重复。单行区，行距 0.67 m，行长 5 m，种植密度 45 000 株/hm2。每行混合授粉 57 株，成熟收获后挑取 5 个生长一致的果穗，每穗从中间挑取 60 粒，混合成 300 粒作为实验材料。本实验使用的材料是从每个年份的 3 个重复中挑选两个重复，再从 300 粒当中挑取大小均匀的 20 粒进行相关性状的测定。3.3表型鉴定和表型数据分析粒长、粒宽、粒厚、胚长和胚宽使用数码照相结合 ImageJ 软件测定(http:/rsb.info.nih.gov/ij)。胚厚使用 0.01 mm 精度数显游标卡尺测量。籽粒体积和胚体积分别使用定制的精度为 0.2 和 0.1 mL 的滴定管测定。使用千分之一电子天平对籽粒重量、胚重量和胚乳重量进行测定。采用脉冲核磁共振仪 Minispec PC20 NMR(Bruker,US)对籽粒油分和胚油分进行单粒测定。玉米籽粒在 45 水浴处理 60 h 后，用手术刀进行物理剥离，剥离过程保持胚的完整性。剥离的胚和胚乳于 45 烘干处理 60 h 后，使用上述性状考察方法进行考察。使用 SAS version 8.02(SAS Institute1999)中的 PROC MIXED 模块进行方差组分估计，获得的方差组分用于广义遗传力的计算(Holland etal.,2003)。对来自两个环境的 4 个重复的观测值取平均值用于表型间的相关分析和 QTL 定位分析。3.4 QTL定位QTL 定位使用 Windows QTL Cartographer 2.5(http:/statgen.ncsu.edu/qtlcart/WQTLCart.htm)中的CIM Model 进行分析，Walk speed 设为 1.0 cM，CIMControl 参数设置为-Model6-Controlmarker5-Window size 10 cM-Regression method 2。设置LOD=2.5 为 15 个性状的 QTL 鉴定阈值。QTL 置信区间确定方法为峰值信号下降 2 个 LOD 值所包含的区域(Xu,2010)。上位性互作分析方法与 Fang 等(2020)使用的方法相同。作者贡献李晓伟、李建生是本研究的执行人，完成论文初稿的写作；李晓伟、张人予和王敏完成数据分析；马海林参与实验设计，试验结果分析；李建生、杨小红是项目的构思者及负责人，指导实验设计、数据分析、论文写作与修改。全体作者都阅读并同意最终的文本。致谢本研究由国家自然科学基金创新研究群体科学基金项目(31421005)资助。参考文献Dai D.W.,Ma Z.Y.,and Song R.T.,2021,Maize kernel develop-ment,Mol.Breeding,41:2.Diepenbrock C.H.,Kandianis C.B.,Lipka A.E.,Magallanes-Lund-back M.,Vaillancourt B.,Gngora-Castillo E.,Wallace J.G.,Cepela 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