玉米茎秆木质素含量QTL定位及关键基因的关联分析

玉米是我国最重要的农作物之一，玉米茎秆的性状对玉米生产和利用有重要影响，其中茎秆木质素的含量是影响茎秆性状的重要因素。本项目拟结合连锁分析和关联分析的方法，对影响玉米茎秆中木质素含量的基因位点进行研究，为进一步分子育种提供指导。项目拟利用来源于B73×By804的196个穗行RIL群体进行茎秆木质素含量QTL定位，研究影响木质素含量的基因位点数量、位置及效应，确定关键酶基因位点；同时利用来源于全球范围内的525份玉米自交系对茎秆木质素合成关键酶基因进行关联分析，明确关键酶基因与木质素合成的关系，挖掘影响茎秆木质素含量的优良等位基因，结合连锁分析与关联分析的结果，开发与玉米茎秆木质素含量紧密关联的功能分子标记。进一步结合玉米茎秆木质素候选基因功能位点的基因型，在群体内选择合适自交系组配F2群体，对群体基因型和表型进行统计分析，评估基因在不同遗传背景下的遗传效应。

本研究利用B73与高油玉米自交系By804构建了包含196个家系的重组自交系群体，在多年多个环境进行种植，并对茎秆的木质素、纤维素、半纤维素以及穿刺强度进行测量。结果表明，RIL群体中茎秆品质性状变异较大，各性状家系间差异均达极显著水平，不同品质性状变异程度不同，其中木质素含量变异最大，变异系数达20.10%。纤维素、半纤维素和木质素三者之间均达到极显著正相关，其中纤维素和木质素与茎秆穿刺强度呈显著或极显著正相关。方差分析结果表明，基因型与环境的效应对四个性状表型的影响都达到显著水平，广义遗传力的变异范围为58%-77%，表明在该重组自交系群体中，目标性状表型变异主要受遗传因素控制。采用包含3072个单核苷酸多态性标记的芯片检测重组自交系群体的基因型，其中756 高质量的多态性标记用于构建遗传图谱，图谱总长为1607.71 cM，标记间平均距离为2.13 cM。结合多个环境的表型数据对木质素含量和茎秆穿刺强度进行QTL定位分析，结果检测到4个控制茎秆木质素的QTL位点，分别位于5、6、9、10号染色体上，共解释表型变异的31.77%。检测到到三个控制茎秆穿刺强度的QTL位点，分别位于4、6、6号染色体上，三个QTL共解释33.8%的表型变异。除此之外，本研究还对包含525份玉米自交系的关联群体进行木质素、纤维素、半纤维素含量的测定，结合DNA芯片平台和RNA测序平台获得的559,285个SNP标记，采用考虑群体结构和亲缘关系的混合线性模型对三个茎秆品质性状进行全基因组关联分析。在P<0.0001显著水平下，检测到22、18、24个位点分别与木质素、纤维素、半纤维素含量显著关联，每个显著关联的位点可以解释4-7%的表型变异。根据显著关联的位点推测出一系列候选基因，其中包含一个编码木质素单体合成过程中控制关键步骤的限速酶基因（ZmC3H2）和一个与次生细胞壁合成相关的NAC转录因子。