低磷胁迫下玉米根系性状关联分析与优异等位变异的发掘

磷是植物生长发育不可缺少的大量元素之一，土壤有效磷含量不足，严重地影响了玉米的生长发育和产量。解决此问题最为有效的方法就是培育耐低磷新品种，提高玉米自身应对低磷胁迫的能力。本研究以1个RIL群体和500份玉米自交系为材料，在正常供磷（对照）和低磷胁迫处理下，利用全基因组扫描的连锁作图和关联分析，鉴定、分离玉米根系低磷胁迫应答基因；综合项目组前期SSH和DGE差异表达基因信息，筛选出重要候选基因，利用分子生物学技术对其进行功能验证；分析候选基因在不同种质中的等位变异，利用基于候选基因的关联分析，发掘对耐低磷特性有正向贡献的优异等位变异及功能单倍型，并开发相应的功能标记，有效选择与创制耐低磷优良基因型。

本研究对456份玉米自交系进行正常磷水平和低磷胁迫处理，根据耐低磷指标建立的逐步回归模型分别解释了低磷胁迫和正常磷水平下干重表型变异的67.8％和76.8％。联合总干重的耐低磷指数和综合指数，筛选出23个耐低磷自交系和109个低磷敏感自交系。利用Maize SNP50 BeadChip (Illumina)芯片对414份玉米自交系进行基因型鉴定和苗期性状关联分析。GLM（Q）和MLM（PCA+K）模型共检测到163个候选基因，通过候选基因关联分析、GO注释，荧光定量PCR和DGE分析，共确定32个重要候选基因，其中包括MYB、WRKY、ARF、锌指蛋白家族转录因子和 AUXIN/IAA响应蛋白，以及SPX-MFS蛋白等。针对玉米应答低磷胁迫重要候选基因ZmLBD1、ZmARF1和ZmPTF1，我们在关联群体中进行了序列克隆和比对分析。结果表明变异位点发生在非编码区的频率远高于编码区，其中转录因子ZmLBD1的多态性频率最高。Tajima’s D中性检验显示选择作用对ZmLBD1和ZmARF1都有显著影响。运用MLM模型在ZmLBD1中检测到10个位点与根冠比显著关联，其中9个位点在低磷胁迫处理中检测到。在ZmARF1中，GLM+Q模型和MLM模型检测到4个相同位点在正常供磷水平与总干重显著相关，其中位点S410与S462处于完全LD，能解释3.08%的表型变异。在GLM+Q模型中还检测到一个38 bp的插入/缺失与根尖数显著相关，能解释表型变异的2.50%。其中位点S410(T/G)在耐低磷RIL群体(P178×9782)中的HRM验证发现，基因型T/T和G/G家系的平均总干重在正常磷水平(P=4.09×10-4)和低磷胁迫条件下(P=0.049)均差异显著；同时，位点S1443(0/38)在该RIL群体中的验证发现，38 bp插入基因型和缺失基因型家系的平均根尖数在正常磷水平（P=5.17×10-3）和低磷胁迫条件下(P=0.027)也都差异显著，表明等位基因G和38 bp插入分别为优异/增效等位基因。qPCR检测发现，ZmLBD1与ZmARF1在耐低磷玉米自交系178与低磷敏感自交系9782根和叶中的组织表达特性极为相似，均在低磷胁迫条件下的178根中显著诱导表达了近10倍。本研究所发掘的候选基因及开发的分子标记为玉米抗逆分子育种提供了基因资源与有效的遗传信息。