玉米氮效率遗传结构的系统解析

Maize has become the most important crop in China and is the major source of yield increase of crop during the past decades. Nitrogen fertilization has been a powerful tool for increasing the yield of corn, but the nigrogen loss due to the excessive input of fertilizers has caused severe environmental pollution. Improving the nitrogen use efficiency (NUE) of maize to breed cultivars with high yield and nutrient efficiency is important for both the food safety and sustainable agriculture of China. Using an association panel of 528 diverse maize inbreds and a recombinant inbred line (RIL) population derived from an elite hybrid,through combining the high density of SNP markers identified from next-generation resequening of both populations, genome-wide association mapping and linkage analysis are conducted to identify genes for a number of complex traits related to maize NUE. At the same time, deep RNA sequencing is conducted for the parents of RILs and their hybrid at key development stages of influencing maize NUE. Through integrating the results from genome-wide quantitiative genetic mapping and transcriptom sequencing, the systematic dissection of maize NUE is conducted to elucidate the molecular regulatory mechanisms of maize NUE. This project not only identifies a number of genes controlling maize NUE that can be used in the future marker-assisted breeding, but also provides a new systematic strategy for dissecting complex traits.

玉米现已成为我国的第一大粮食作物，是我国粮食持续增长的关键支撑点。化肥（尤其是氮肥）在玉米生产中起着至关重要的作用，但氮肥的过度施用已造成严重的生态环境破坏。提高玉米氮素利用率，培育高产高效品种，是保障我国粮食安全和农业可持续发展的重要途径。申请者利用已经构建成型并经二代重测序的关联群体和连锁群体为研究材料，利用全基因组关联定位和连锁分析对氮效率相关性状进行高精度的遗传定位分析。同时,在影响氮效率的关键发育时期，对连锁群体的亲本及其杂种进行深度RNA测序，从转录组水平上研究氮效率调控网络。通过整合全基因组水平的数量遗传定位与转录组水平的RNA测序分析，系统解析氮效率相关性状的分子调控机制。研究结果不仅有望鉴定出一批影响玉米氮效率的重要调控位点，为氮高效分子育种提供靶位点，也为复杂数量性状的解析提供新的思路。

玉米现已成为我国的第一大粮食作物，是我国粮食持续增长的关键支撑点。化肥（尤其是氮肥）在玉米生产中起着至关重要的作用，但氮肥的过度施用已造成严重的生态环境破坏。提高玉米氮素利用率，培育高产高效品种，是保障我国粮食安全和农业可持续发展的重要途径。本项目从两个方面对玉米氮效率的遗传调控机制进行了解析。一是利用中国种植面积最广的杂交种郑单958的亲本自交系郑58和昌7-2为研究材料，通过高深度的RNA测序，从转录组水平上剖析了郑58与昌7-2氮响应的差异表达模式，共鉴定出96个表现出基因型×氮水平（G×E）互作的基因，发现62.5%的G×E基因表现出条件特异性互作模式，基因功能富集分析发现96个G×E基因主要在转录因子活性富集，并且主要在AP2/EREBP和WRKY两类转录因子家族富集，说明转录因子可能在氮胁迫引起的转录水平可塑性方面发挥了重要作用；二是利用郑单958衍生的重组自交系群体为材料，在正常氮和低氮条件下对一系列重要农艺性状进行了表型鉴定，共定位到30个氮响应QTL，分析发现20个G×E基因位于氮响应QTL区间，表现出显著富集，说明表达水平G×E基因在决定表型氮响应差异上可能发挥了重要作用。研究结果不仅对玉米氮响应的遗传调控机制提供了新的见解和鉴定出了重要的氮响应位点，也为复杂数量性状的解析提供新的思路。