玉米CMS-S核恢复基因的发掘及主要恢复基因Rf3的克隆

CMS-S is the main type of CMS in maize. Except for the main nuclear male sterile restoration gene, Rf3, which located in 2.09bin, other fertility restoration loci have not been mapped. In addition, fine mapping of Rf3 has not been finished. These limit its utility in hybrids producing. In comparison with traditional linkage genetic analysis, association analysis can harness the accumulated mutations in natural population to conduct QTL mapping with higher detection power and definition, and in recent years it has become the main method for gene mining and fining mapping for agronomically important traits. In this study, genome-wide identification of significant loci associated with fertility restoration and their interactions with environments will be conducted with a set of F1 crosses between an association mapping panel and a CMS-S line; Meanwhile, association analysis based on the SNPs in the 2.09bin will be also conducted to fine map Rf3, and further used to predict candidate genes; Finally, association study based on candidate gene approach, linkage analysis with a large segregation population as well as tansgenic analysis will also be conducted to clone Rf3. Results in this study would provide theoretical and practical information for the study on nuclear-cytoplasmic gene interactions and maize hybrid breeding.

S型CMS（CMS-S）是玉米三个主要细胞质雄性不育群中最大的一个组，除主效恢复基因Rf3被定位在2.09bin区域外，其他恢复基因尚未精确定位，而且Rf3克隆进展缓慢，这在一定程度上影响了其在生产上的应用。与连锁定位分析相比，关联分析可利用自然群体长期累积的变异，具有较高的QTL检测效率和定位精度，近年来已经成为发掘和精细定位重要农艺性状基因的重要手段。本研究拟利用一套基于高密度SNP标记的自然群体与CMS-S不育系测交组配F1，对其育性表现进行多年多点鉴定，通过关联分析充分发掘其核育性恢复位点，并分析它们与环境的互作，从而全面解析CMS-S育性恢复的遗传基础；同时通过区段内关联分析对Rf3进行精细定位，结合基于候选基因策略的关联分析、BC1大群体的连锁分析以及遗传转化实现对恢复基因Rf3克隆和功能验证，从而为S组CMS在的利用及核质互作研究奠定基础。本研究具有较强的理论和实际应用价值。

S型CMS是玉米CMS中最大的一类，但其育性恢复的遗传基础还不清楚。本项目率先利用测交群体对玉米CMS-S核恢复基因位点进行了全基因组关联分析。在三个环境下共检测到包含主要恢复基因Rf3在内的19个与花粉育性有关的显著位点，其中14个位点至少在两个环境下被同时检测到，单个位点可以解释5.09%-28.26%的表型变异；这些位点主要具加性效应，聚合后可提高杂种花粉的育性。田间调查的花药外露和散粉这两个性状分别检测到3个和8个显著位点，可解释8.48%-15.75%的表性变异，但大部分位点仅在一个试验点检测到。以上结果说明玉米CMS-S育性恢复的遗传基础比较复杂，受多个主效和微效基因控制，并且环境条件对育性恢复有一定的影响。对这些显著性位点上下游50kb范围内的候选基因进行分析，共预测到83个候选基因, 这些候选基因编码PPR蛋白、转录因子或者涉及信号传导、生长素响应以及糖代谢等过程。此外，利用关联分析信息及基于自交系B73构建的BC1分离大群体将主要恢复基因Rf3精细定位在2.09bin 28 kb的一个区间。该区域共有三个ORFs，其中一个编码PPR蛋白。在恢复系中该基因编码814个氨基酸，但在不育系中N端有缺失，候选基因关联分析也表明它可能与育性恢复有关。超表达该候选基因的阳性单株与CMS-S不育系杂交，F1代花粉育性得到显著提高，但散粉能力没有得到恢复，证实Rf3具有部分恢复CMS-S育性的功能。本项目研究结果可为进一步研究CMS-S育性恢复机理及其在玉米杂种优势上的利用提供很好的基础。