一个新的玉米光周期敏感性主效QTL qDPS10-2的图位克隆及功能分析

Photoperiod sensitivity is one of the most important limiting factors for the use of tropical germplasm in temperate regions, the research group and the domestic-foreign researchers were to locate QTL for the traits and found the major QTL of controlling photoperiod sensitivity of corn on 10 chromosome. In the qDPS10 fine mapping process, the research group found that the major QTL qDPS10 decomposed into two linked QTL, qDPS10-1 and qDPS10-2, with the contribution 26.3% and 20.4%, respectively. At present, qDPS10-1 has been accomplished map-based cloning and functional analysis, and we used BC5F1 segregating populations to be fine mapping qDPS10-2 to 0.91Mb. On this basis, the research is to be carried out the following work. First, the establishment of large-scale separation populations will be constructed to be fine mapping qDPS10-2, and then the candidate gene will be identified by the sequence analysis of the parental BAC library. Second，we will research the candidate gene expression pattern, and relations between the candidate gene and qDPS10-1 candidate gene as well as the related genes of light cycle path. Third, the functions will validated by association analysis and genetic transformation. The implementation of the project will not only provide a theoretical basis for reasonable using of tropical maize germplasm and marker-assisted selection, but also will be of great importance in analyzing plant photoperiod pathway molecular.

光周期敏感是热带种质在温带地区利用最主要限制因素之一，课题组及国内外研究者对这一性状进行QTL定位，均将控制玉米光周期敏感的主效QTL定位在第10染色体上。课题组在对qDPS10精细定位过程中，发现主效QTL qDPS10被分解为两个连锁的QTL，qDPS10-1和qDPS10-2，贡献率分别为26.3%和20.4%。目前，已完成qDPS10-1图位克隆和功能分析,并利用BC5F1等分离群体对qDPS10-2精细定位到0.91Mb。在此基础上，本研究拟开展以下工作：1、建立大规模分离群体，实现对qDPS10-2精细定位，然后通过双亲BAC文库序列分析确定可能的候选基因；2、研究候选基因表达规律及与qDPS10-1候选基因及光周期路径中相关基因的关系；3、利用转基因技术和关联分析验证其功能。本项目实施将为热带玉米种质合理利用及分子标记辅助选择提供理论依据，对植物光周期途径分子解析具有重要意义

光周期敏感性是热带和亚热带玉米种质在温带利用时的主要障碍。研究玉米光周期敏感性关键基因的分子机制，将为有效地利用和改良热带、亚热带玉米种质提供理论依据。本研究以光周期敏感的热带自交系CML288 为供体亲本，以光周期钝感的温带自交系黄早4 为轮回亲本，采用回交方法结合分子标记辅助选择构建了qDPS10-2 近等基因系，将qDPS10-2精细定位到86.81-kb的区间内。通过生物信息学分析和双亲及近等基因系序列差异性分析结果表明，GRMZM2G31131可能是DPS10-2的候选基因，命名为DPS10-2。利用212个自交系组成的关联群体，对候选基因ZmPS10-2在双亲及近等基因系间存在差异的序列进行测序，结合2年的田间表型鉴定进行候选基因的关联分析。结果表明，G/ A/mutation600、CA/GG/ mutation64、G/A/ mutation1140、AGG/InDe1816和CAT/InDel969的多态性与玉米开花时间显著关联。利用玉米遗传转化获得该候选基因的过表达转基因株系和 crisp-cas9突变体，转基因结果表明该基因高效表达促进玉米早开花。为研究该基因的表达规律，以黄早4和其近等基因系为材料，分析不同时期不同部位及24小时的节律性表达。结果表明， ZmDPS10-2在长、短日照条件下从3-12叶期都有所表达，且短日照下表达量明显高于长日照条件下，其表达高峰在6-7叶期和10-11叶期，在茎尖中的表达量高于叶片中；长日照条件下，DPS10-2的表达量在黄早四中高于黄早四近等基因系。通过转录组及ChIP –Seq技术证明CCT和DPS10-2通过2条不同的调控路径影响玉米对光周期的响应进而影响玉米开花的早晚；同时，通过ChIP-Seq分析结果表明，DPS10-2还直接作用于PIF3、PIF4、NF-YC、NF-YB6等基因的启动子区域影响这些基因的表达进而影响玉米开花。以CML288为材料构建酵母单杂交文库，通过酵母单杂交技术筛选ZmDPS10-2候选基因启动子的结合蛋白，筛选到了37个与目的基因有相互作用的蛋白，从中选出了Gadd45和RPL23A作用于DPS10-2的启动子区域影响DPS10-2的表达进而影响玉米开花。这些研究结果为解析光周期敏感性影响玉米开花时间的作用机制及调控途径提供依据。