刘鹏飞，周富亮，陈青春，孙 伟，张姿丽，万小荣，蒋 锋

(1 仲恺农业工程学院 农业与生物学院，广东 广州 510225；2 广州市特色作物种质资源研究与利用重点实验室，广东 广州 510225)

根系是玉米植株的重要吸收器官，健壮的根系可为玉米生长发育提供充足的养分和水分，而且对整个植株有支持作用。大量的研究表明，不同品种之间根系性状存在着丰富的遗传变异，且与地上部性状密切相关[1-2]。因此，研究控制玉米根系相关性状的QTL及分子遗传，在育种实践中对提高玉米的种植密度、抗倒伏、抗逆境能力等具有重要的参考价值。

研究表明，玉米的根系性状由大量微效 QTL控制, 而且受环境条件影响较大[3]。由于田间作物根系及其根际环境的复杂性, 根系表型性状的测定还存在着一定困难，根系性状的遗传改良研究进展相对较缓慢[4]。 Lebreton等[5]最早对玉米根系性状的 QTL定位进行了报道，利用Polj×F-2构建的 F2代群体的81个家系对初生不定根数、节根数和根拔拉力性状进行了QTL定位，分别检测到了4,4,7个QTL位点。 Guingo等[6]最早在田间利用F-2×Io重组自交系群体对玉米根系进行了QTL定位，对6,7,8节间的节根数及第7节间的根直径，分别定位到了1,3个QTLs。Zhu等[7]在2个磷水平下，用 B73和Mo17所构建的 RIL 群体对根系性状包括侧根长、侧根数和初生不定根进行了定位，结果表明不同磷水平下同时定位到的相同位点很少，说明不同磷水平下根系的遗传机制不同。 Chen等[8]采用082和Ye107构建了241个F2∶3家系，结果表明在田间2个磷水平下玉米苗期根系相关性状地上部鲜质量、地上部干质量、根干质量和纤维根数分别定位到了6,9,7,7个QTLs位点。Liu等[9]采用综3和87-1所构建F8家系的RIL群体，进行了2个氮水平下玉米苗期根系性状QTL定位，结果表明水培根系性状的侧根长、轴根长、最大轴根长、轴根数和平均轴根长分别定位到了2,1,2,1,2个QTLs。高世斌等[10]用N87-1和9526构建的183个F2∶3家系，在田间进行不同水分处理下根系相关性状的QTL定位，共检测到16个QTLs，分布于1、4、5、7和10染色体上。刘建超等[11]用 综3和豫87-1 组建的重组自交系群体进行了水培根系的QTL定位，对根干质量、地上部干质量、总根长和根冠比在2个氮水平下共定位到了22个QTL位点。

有关学者对玉米根系性状QTL定位结果进行了整合及热点区域分析。Tuberosa等[12]通过对5个群体根系性状在田间与室内水培条件下定位结果的整合分析发现，对于玉米的根系性状存在着一些重要的QTL区域，这些区域分别位于染色体臂1.03，1.06，1.08，2.03，2.04，7.02，8.06和10.04；Hund等[13]通过整合汇总9个遗传群体15个根系QTL定位研究, 将161个根系QTL划分到24个QTL簇上，其中1.07，2.04，2.08，3.06，6.05和7.04 是根系的热点区域；Song等[14]利用郑58×昌7-2的重组自交系群体，对根系相关性状进行QTL定位，表明在玉米第2染色体2.06，第3染色体3.02-03，第9染色体9.02-04和9.05-06中发现了QTL的热点区域。这些重要QTL区域为进一步对根系性状进行精细定位、图位克隆奠定了基础。

目前，关于玉米根系研究多集中在水培、盆栽及苗期根系性状的研究，而针对玉米田间成株期根系性状的研究鲜有报道，关于根系节根层数的QTL定位尚无相关报道。本研究以2个根系相关性状差异较大的甜玉米自交系及其F2、F2∶3家系为试验材料，应用复合区间作图法对根长度、根干质量和节根层数3个根系性状进行QTL定位，以期为甜玉米耐密性、抗倒伏、耐逆性种质遗传改良及分子辅助育种提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与田间试验

亲本T49和T56是仲恺农业工程学院玉米研究所经多年严格自交和自主选育的甜玉米骨干自交系，其根长度、根干质量、节根层数的均值分别为20.43 cm、27.09 g、6.8和26.67 cm、43.81 g、6.1，亲本根系性状差异显著(P<0.05)。2017年3月在广州市番禺区钟村教学科研基地以自交系T49为母本、T56为父本配制杂交F1，同年10月F1自交获得F2群体；2018年3月种植2个亲本及来自同一果穗的226个F2单株，F2单株套袋严格自交，其中获得208株正常生长的植株；2018年9月种植208个F2∶3家系。试验地单行区，行长5 m，行距0.65 m，株距0.25 m，每个家系种20株，同时防治病虫害，减少干扰，田间管理略高于一般生产田。于玉米抽雄后2周测定相关性状，每个家系随机挑选中间有代表性的3株测量根系相关性状。每个单株在长0.25 m、宽0.16 m、深度0.40 m根系主要分布的土体内挖取根系[1,15]。样品洗净后采用直尺量取地上气生根至地下最基部的长度为根长，直接烘干至恒质量时称量为根干质量，记录包含地上气生根的节根层数。

1.2 DNA提取和基因型分析

采用CTAB法提取亲本T49、T56及F1和F2群体的DNA，根据大量国内外公开发表的相关文献[16-17]，从玉米基因组数据库中选取826对高多态性SSR引物，由北京鼎国昌盛生物技术有限责任公司合成。PCR 扩增体系及产物的聚丙烯酰胺凝胶电泳等程序参考文献[18-19]的方法。观察电泳结果，进行带型数据统计。

1.3 数据分析与QTL检测

按照JoinMap 3.0软件分析SSR标记, 构建分子遗传图谱。采用Windows QTLs Cartographer 2.5 结合复合区间作图法，以F2∶3群体的表型性状用于QTL定位分析，通过1 000次随机抽样确定 LOD阈值，以LOD≥2.5来构建遗传连锁图谱[20]。通过以上两个软件联合表型数据在连锁群上定位相关QTL，并可以得到LOD值、加性效应、显性效应及单个QTL的遗传贡献率。

QTLs命名参照文献[21]的方法，按照“QTLs+性状+染色体+QTLs个数”，用“q”开始代替“QTLs”，性状用大写斜体英文缩写表示，如：“qRL”表示根长QTL，“qRW”表示根干质量QTL，“qNRL”表示节根层数QTL，当同一染色体上有多个不同位点的QTLs时，就在染色体的后面加“1”“2”“3”等予以区别。

2 结果与分析

2.1 甜玉米F2∶3家系根系相关性状

从表1可以看出，甜玉米F2∶3家系的根长、根干质量和节根层数3个性状中根长和根干质量的变幅和变异系数均较大；3个性状的偏度分别为0.07，0.57，0.19，都小于1，与正态分布无显著偏离，表现出与数量性状特征一致，可以对其进行QTL定位与分析。

表1 甜玉米F2∶3家系根系相关性状Table 1 Phenotypic statistics of root related traits in F2∶3 population for sweet corn

2.2 甜玉米SSR标记遗传连锁图构建

从玉米基因组数据库中选取826对SSR引物序列，通过对两亲本进行多态性筛选，先筛选出238对具有多态性的SSR引物，进一步进行χ2测验，其中有187对分离比例符合3∶1和1∶2∶1，用 JoinMap 3.0软件对多态位点进行连锁关系分析，得到含153个位点、全长为1 199.1 cM的SSR标记遗传连锁图谱，平均间距为7.83 cM(图1)。

2.3 甜玉米根系相关性状的QTL定位及遗传效应

通过对甜玉米根系相关3个性状进行QTL定位，共检测出10个QTL，其中第3、8染色体中分别检测到3,5个QTL，第2、4染色体各检测到1个QTL，单个QTL解释5.28%～21.13%的表型变异，7个QTL贡献率大于10%。 1个同时控制根长和根干质量的QTL在bnlg2235-umc1974 标记区间，位于8号染色体bin8.02区域， 1个控制节根层数的QTL与其紧密连锁，在umc1974-umc1778标记区间，位于bin8.02-8.03区域，分别可解释18.20%，17.24%和21.13%的表型变异；1个同时控制根干质量和节根层数的QTL在umc1778-umc1741标记区间，位于bin8.03区域(图1，表2)。

矩形区域为1-LOD置信区间;须状线区域为2-LOD置信区间。 Chr.1-Chr.10.分别代表玉米1～10号染色体。各连锁群上左边数值代表各标记间的遗传距离(cM),右边为各标记的名称Bars and whiskers indicate 1-LOD and 2-LOD QTL likelihood intervals,respectively.Chr.1-Chr.10 represent corn chromosomes 1-10.The value on the left of each linkage group represents the genetic distance (cM) between each marker,and the name of each marker is on the right图1 甜玉米SSR连锁遗传图谱及根系相关性状的QTL定位Fig.1 SSR linkage map and QTL mapping of root related traits in sweet corn

2.3.1 根长QTL定位 在甜玉米F2∶3家系，以根长为指标共检测到 2个QTL(图1，表2)。 其中qRL-chr02-1位于第2染色体phi127-bnlg2077标记区间，可解释19.70%的表型变异；qRL-chr08-1位于第8染色体bnlg2235-umc1974标记区间，可解释18.20%的表型变异。2个QTL贡献率均大于10%，加性效应均为正值，表明2个根长QTL增效等位基因均来自于母本T49。

2.3.2 根干质量QTL定位 在甜玉米F2∶3家系，以根干质量为指标共检测到5个QTL(图1，表2)。其中qRW-chr03-1和qRW-chr03-2位于第3染色体umc1400-dupssr23和bnlg2241-bnlg197标记区间，可解释5.28%和7.22%的表型变异，QTL增效等位基因分别来自于父本T56和母本T49；qRW-chr04-1位于第4染色体bnlg1621-bnlg2291区间，可解释12.25%的表型变异，加性效应为正值，QTL增效等位基因来自于母本T49；qRW-chr08-1和qRW-chr08-2位于第8染色体bnlg2235-umc1974和umc1778-umc1741标记区间，可解释17.24%和17.13%的表型变异，加性效应均为正值，表明2个根干质量QTL增效等位基因均来自母本T49。

2.3.3 节根层数QTL定位 在甜玉米F2∶3家系，以节根层数为指标共检测到3个QTL(图1，表2)。其中qNRL-chr03-1位于第3染色体bnlg2136-bnlg1601标记区间，可解释9.38%的表型变异，QTL增效等位基因来自于母本T49；qNRL-chr08-1和qNRL-chr08-2位于第8染色体umc1974-umc1778、umc1778-umc1741标记区间，分别可解释21.13%和18.82%的表型变异，2个QTL均与标记umc1778紧密连锁，QTL增效等位基因均来自于母本49。

表2 甜玉米F2∶3 群体的根系相关性状QTLTable 2 Location of QTL for root related traits based on F2∶3 population in sweet corn

3 讨 论

根系是作物重要的吸收器官。作物的根长、根干质量和节根层数是根系发达程度的主要决定因素，根系发达程度对植物从土壤中吸收水分和养分具有决定性作用[22]。同时，根系的形态建成也会直接影响植株的抗倒伏性，根系形态是植株抗倒伏的关键因素[6,15]。根系性状是复杂的数量性状，由于根系的复杂性、表型鉴定的困难、受环境及人为影响大等因素导致根系遗传研究的严重滞后，从而影响了根系育种的发展。

目前，根系遗传研究多集中在水培、盆栽等人为体系对苗期根系性状的研究[23-26]，仅有少量研究是针对田间的根系性状进行[6,27-28]。本研究对甜玉米的根长、根干质量和节根层数性状的QTL进行了定位，共检测到10个QTL，其中根长的QTL共2个，位于第2、8染色体上，分别可解释19.70%和18.20%的表型变异。蔡红光等[1]利用根系形态差异显著的自交系掖478和武312为亲本，构建的BC4F3群体在抽雄期第2染色体上检测到1个贡献率 5.9%的QTL ，落在nc003-bnlg2077标记区间，该结果与本研究检测到的QTL均与标记bnlg2077连锁。Hund等[13]研究认为bin2.04和bin2.08是根系的热点区域，Tuberosa等[12]对5个群体根系性状在田间与室内水培条件下定位结果的整合分析表明，在bin2.03和bin2.04区域存在玉米根系相关性状QTL。本研究在bin2.07-2.08处检测到1个根长相关QTL，与Hund等[13]研究的热点区域具有一致性，但与Tuberosa等[12]研究结果不在同一区域。本研究检测到5个根干质量相关QTL，其中第4染色体上检测到的QTL在bnlg1621-bnlg2291标记区间(bin4.06)，与蔡红光等[1]在第4染色体检测到的QTL均与标记bnlg2291连锁，但与刘建超等[11]在不同氮水平下定位在第4染色体上的QTL位于不同区域。Hund等[13]通过汇总9个遗传群体15项根系QTL定位研究，将161个根系QTL划分到24个QTL簇上，其中bin3.06是根系的热点区域，本研究在bin3.05-3.06和bin3.06区域各检测到1个根干质量QTL，与Hund等[13]的研究结果具有一定一致性。本研究检测到的2个根干质量性状的主效QTL位于bin8.02和bin8.03区域，与Tuberosa等[12]在bin8.06区域检测到根系相关QTL不在同一区域。目前，关于节根的研究多以节根数为指标进行QTL定位。Guingo等[6]在田间条件下,在染色体3.04位置上定位到1个控制土表下第6层(RI6)节根数QTL，而以节根层数为性状的QTL定位未查阅到相关报道。本研究对节根层数检测到3个QTL，分别位于bin3.04-3.05、bin8.02-8.03和bin8.03区域，这与Tuberosa等[12]和Hund等[13]研究的热点区域均不一致。这主要是由于，一方面试验材料差异，两个亲本对应位点没有等位基因差异，未检测到相关性状QTL；另一方面连锁图谱的标记偏少，而该位点 QTL 所在区域恰好图谱未覆盖到，未能检测到该位点，也可能与表型鉴定使用的仪器或方法不同有关。

控制不同性状的QTL在同一区域内会出现富集现象，即不同性状在同一位点存在重叠的QTL，其主要是某些染色体区域具有“一因多效”或控制不同性状基因间的紧密连锁造成的[29]。 一些相关性较高性状的QTL常定位于相同或相近的染色体区段，并且在染色体上“呈簇”分布[30]。本研究在第8染色体的bin8.02-8.03区域有与根长、根干质量和节根层数均有关的QTL； 第3染色体的bin3.05区域有与根干质量、节根层数有关的QTL；利用这些同时控制不同性状、位于染色体相同区域或标记区间内成簇分布的 QTL 进行分子标记辅助选择(MAS)可以起到“一选多效”的效果，提高选择效率，在育种实践中具有重要意义。

一般能够解释表型变异10%以上的QTL可视为主效基因[31]。前人研究表明，定位QTL与邻近分子标记距离较近(<4 cM)时，利用分子标记定位群体进行分子标记辅助选择有利于提高选择效率[32-33]。 本研究共检测到7个主效QTL，有些QTL与标记间连锁距离很近，甚至有些落在同一标记区间内，这些是同一个QTL还是两个不同的QTL,还有待于进一步在更加饱和的连锁图谱上进行精确定位分析；第8染色体检测到1个同时控制根长和根干质量的QTL位于bin8.02区域，1个bin8.02-8.03区域控制节根层数的QTL与其紧密连锁，分别可解释18.20%，17.24%和21.13%的表型变异；1个同时控制根干质量和节根层数的QTL位于bin8.03区域。第3和8染色体也是重点研究的染色体，这些共同 QTL是下一步研究的重点。在本研究的基础上，可继续进行不同年份、地点、组合、世代、群体的研究，以尽可能消除环境及遗传背景的影响，找出在不同环境和遗传背景下都稳定存在的主效 QTL；针对主效QTL 所在的染色体区域，增加分子标记，进一步对目标QTL进行精细定位、克隆主效QTL、聚合有利基因以及分子标记辅助改良，为选育耐密、抗倒伏、抗逆性强的玉米品种提供参考依据。

4 结 论

应用复合区间作图法，以甜玉米组合T49×T56的F2为作图群体，测定F2∶3家系的根长、根干质量和节根层数，进行相关性状的QTL定位，构建了包含153个SSR标记位点的遗传连锁图谱，覆盖玉米基因组1 199.1 cM，平均间距7.83 cM。3个性状共检测到10个QTL， 其中2个与根长相关的QTL位于第2、8染色体上，5个与根干质量相关的QTL位于第3、4、8染色体上，3个与节根层数相关的QTL位于第3、8染色体上。第8染色体bin8.02区域检测到1个同时控制根长和根干质量的QTL，且与1个控制节根层数的QTL(bin8.02-8.03)紧密连锁；1个同时控制根干质量和节根层数的QTL位于bin8.03区域。第8染色体上控制不同性状的QTL在同一区域内出现重叠。育种实践中，可利用根系的3个性状共同检测到的相关主效QTL及QTL富集区进行分子标记辅助选择和遗传改良。