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氮胁迫条件下玉米氮利用效率及相关性状的QTL分析

刘宗华  
【摘要】: 玉米是世界上最重要的粮食和饲料作物之一,在国民经济发展中的地位日趋重要,玉米的氮高效利用已成为人们广泛关注的热点问题,选育氮高效利用品种是提高氮肥利用率最经济有效的途径。本研究通过对氮高效利用自交系的筛选,构建了一套氮高效利用的F_(2∶3)群体,在施氮和不施氮条件,首次对氮胁迫条件下玉米穗位叶叶绿素含量、株高的动态变化进行QTL分析,同时研究了氮胁迫条件下玉米子粒营养成分和秸秆营养成分的变化。主要研究结论如下: 本研究在施氮(N+)和不施氮(N-)两种条件下,对50个玉米自交系的穗位叶叶绿素含量、株高、穗位高和产量等性状进行了对比,分析了不同基因型自交系对氮胁迫的反应。结果显示,在氮胁迫条件下,自交系的叶绿素含量平均降低5.73%,子粒产量平均下降15.89%,而不同自交系的叶绿素含量以及子粒产量降低幅度差异明显,变幅分别在0-22%和0-50%;A40、Q3和许178等自交系对氮胁迫反应不敏感,是低N条件下N素高效利用自交系,而凤可1、沈99-718、Q2和综3等自交系对氮胁迫反应敏感;氮胁迫条件下,穗位叶的叶绿素含量可作为衡量玉米自交系对氮胁迫反应敏感与否的生理指标。 以氮高效利用玉米杂交种农大108的203个F_(2∶3)家系为材料,构建了包含189个SSR标记的遗传连锁图谱,利用复合区间作图法,在施氮(N+)和不施氮(N-)两种情况下,对玉米不同发育时期的叶绿素含量、株高的变化以及不同地点产量和产量构成因素进行了QTL分析。结果表明:1)在N-和N+两种情况下,亲本许178的5个时期叶绿素含量的均值分别为54.12和55.76,比黄C分别高1.80和2.40;而F_(2∶3)家系的叶绿素含量均值分别达55.6和58.32,高于双亲的中亲值;同时在N+情况下,叶绿素含量变异范围相对较小,说明氮胁迫对玉米叶绿素含量的变化具有一定影响。 N-/N+两种情况下,在喇叭口期、散粉期、灌浆初期、灌浆中期和灌浆后期分别检测到2、2、1、3和1个/2、2、2、7和1个叶绿素含量的非条件QTL,可分别解释对应时期叶绿素含量表型总变异的22.75%、22.93%、19.77%、49.87和12.79%/16.95%、23.49%、19.38%、84.56和13.38%; 在N-/N+情况下,喇叭口期-散粉期、灌浆中期-灌浆后期/喇叭口期-散粉期、散粉期-灌浆初期各检测到1个条件QTL,可分别解释绿素含量表型变异的12.90%和25.51%/15.98%和26.67%。叶绿素含量的QTL表达存在时空性,其中qch14和qch15b在整个生育时期均能检测到,是玉米生长发育所必需的两个QTL。 2)N胁迫对亲本许178株高的影响小于对亲本黄C的影响,F_(2∶3)群体在不同时期的株高均值在2种施肥水平下没有显著差异,但变异范围存在一定的差异。 在N—条件下,拔节期、小喇叭口期、大喇叭口期、灌浆期分别定位1、1、2和2个非条件株高QTL,可分别解释各时期株高表型变异的8.42%、13.86%、24.33%和22.66%;在N+条件下,相应时期分别定位1、1、2和4个非条件株高QTL,可分别解释各时期株高表型变异的8.10%、12.92%、21.30%和44.41%。 在N—条件下,拔节期至喇叭口期、开花期至灌浆期分别定位了1和5个条件株高QTL,可分别解释该时期株高动态变异的9.14%和50.98%;在N+条件下,相应时期分别定位1和4个条件株高QTL,可分别解释该时期株高动态变异的13.33%和44.47%。这些非条件和条件株高QTL多数表现以显性和部分显性为主。 3)亲本许178穗部性状对N胁迫的敏感程度也远小于黄C;F_(2∶3)群体的穗长、穗粗、穗行数和行粒数与单株产量大多呈显著或极显著正相关。 在郑州和新郑两地,2种氮处理水平下定位了玉米穗部性状的53个QTL(郑州点检测到28个,新郑点25个),主要集中在第1、2、8和9染色体上,部分显性和超显性效应的QTL占60%以上。 N+条件下检测到的穗部性状QTL数量明显高于N—条件下的QTL数量,同时在郑州点2种氮处理水平下检测到3个相同的QTL(qED2a,qKW8a,qKW10a),新郑点检测到1个相同的QTL(qEL1a)。 4)通过氮胁迫对玉米3个主要子粒营养成分和4个茎秆营养成分的影响分析表明,低氮胁迫会增加子粒淀粉含量,而蛋白质含量有一定程度减少。低氮胁迫使茎秆酸性洗涤纤维(ADF)和中性洗涤纤维(NDF)含量增加,而使茎秆粗蛋白和粗脂肪含量减少。在两个环境、两种氮处理情况下,ADF与NDF有显著正相关,粗脂肪与粗蛋白含量有显著正相关,但ADF、NDF与粗蛋白、粗脂肪之间有显著负相关。 在两个环境、两种氮处理情况下共检测到18个子粒品质性状的QTL,其中包含7个油分含量QTL,6个蛋白质含量QTL和5个淀粉含量QTL。高氮比低氮条件下检测到的QTL数目多,同时,也检测到一些特异表达的QTL。 在两个环境、两种氮处理情况下共检测到4个茎秆性状的25个QTL,其中包含6个ADF的QTL,4个NDF的QTL,10个粗蛋白含量的QTL和5个粗脂肪含量的QTL。 可以推断,在不同氮处理条件下特异表达的QTL,尤其在缺氮条件下检测到的各性状特异表达的QTL可能与玉米的氮高效利用有关,是氮利用效率的遗传基础。


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