玉米籽粒大小主要遗传网络的解析和分子机制研究

Maize kernel size is an important agronomic trait controlled by multiple pathways that involve numerous genes. Identification of these genes and their functions is the key to determining these pathways as well as to exploration of their utility values. Mutant analysis is an effective way to identify the key genes whose loss of functions confer visible phenotypes, and also essential to decipher the functions, whereas QTL mapping is keen to identify those genes that have been selected for kernel size in natural populations and breeding. A combination of both strategies allows an effective identification of novel genes and novel processes controlling kernel size which are suitable for quick breeding. In previous studies, we have identified three key genes that regulate the kernel size (Smk4, Sk1and qHKW1) and preliminary results indicate that SMK4/SIP1/SIP2 interaction involved in a novel genetic regulatory network. On the basis, this project aims at 1) elucidating the molecular function and mechanism of the kernel size-control gene Smk4, Sk1 and qHKW1; 2) identifying novel genes regulating the kernel size by combining QTL mapping and high-throughput Mu-seq technology; 3) resolving the genetic relationship among these genes; 4) constructing the genetic networks that regulating kernel size by harnessing the above generated information. The results will further our understanding on the molecular mechanisms and genetic network controlling kernel size and weight which will be invaluable for molecular breeding.

玉米籽粒大小是多基因、多途径控制的重要农艺性状。突变体基因克隆是鉴定调控籽粒大小关键基因的重要途径，QTL定位是解析变异群体数量性状的主要手段。二者结合能有效克隆控制玉米籽粒大小的关键基因。前期，我们鉴定了3个调控籽粒大小的关键基因（Smk4，Sk1和qHKW1），初步研究结果证实SMK4/SIP1/SIP2互作参与新的遗传调控网络。本项目将在前期工作基础上，1）明确Smk4，Sk1和qHKW1等籽粒大小调控基因的生物学功能和作用机制；2）结合QTL定位和Mu-Seq高通量测序克隆技术，鉴定新的调控籽粒大小的关键基因；3）研究基因间的分子遗传学关系；4）综合利用遗传学和生物信息学等手段，构建籽粒大小调控的分子遗传网络。研究结果将进一步加深对玉米籽粒大小调控和粒重形成分子机制的理解，同时，为玉米分子育种提供理论支持和分子标记。

玉米籽粒大小等农艺性状受到多基因、多途径控制。QTL定位是解析变异群体数量性状的主要手段。突变体基因克隆是鉴定调控籽粒大小关键基因的重要途径。结合QTL定位和Mu-Seq高通量测序克隆技术，本课题在2年执行期间克隆了14个控制玉米籽粒大小的关键基因并研究了它们调控玉米籽粒大小发育的功能和作用机制，构建了部分遗传网络，在主流期刊发表研究论文12篇。 具体为：1）利用图位克隆技术获得了候选基因ZmBAM1d，构建了控制粒重主效QTL-qHKW1的近等基因系，获得了超表达ZmBAM1d后百粒重显著增加的转基因植株，明确了ZmBAM1d的亚细胞定位和表达模式，发现启动子区域DNA序列变异和表观修饰变异引起的基因表达差异可能是引起表型差异的原因，初步明确了该基因的作用机制明确了它们的生物学功能和作用机制； 2）克隆了核基因编码的5个玉米线粒体RNA编辑因子，6个玉米线粒体内含子剪接因子和1个兼具RNA编辑和内含子剪接功能的PPR基因，发现它们通过线粒体基因转录后加工途径，影响线粒体的氧化磷酸化复合物基因的蛋白质翻译和复合物的组装和活性，进而维持线粒体功能的稳定和玉米籽粒胚和胚乳的正常发育；发现ZmNPF7作为硝酸盐和钾转运蛋白，通过调节硝酸盐和钾在从籽粒母本组织向正在发育的胚乳运输，影响玉米籽粒灌浆从而调节籽粒生长发育。揭示了植物体内硝酸盐和钾相互协调运输的新机制和NPF家族转运体蛋白调节玉米籽粒发育的分子机制； 3）在玉米幼苗和幼穗中构建了H3K4me3- 和H3K27ac- 富集的高分辨率（5-10kb）的染色质互作图谱，为发掘玉米复杂农艺性状相关基因及其转录调控提供了重要信息；此外发现了线粒体RNA编辑和内含子剪接多个因子的互作关系，加深了对玉米籽粒大小调控和粒重形成分子机制的理解，同时，为玉米分子育种提供理论支持和分子标记。