玉米籽粒粒型基因的功能与互作研究

To investigate the genetics basic of maize yield formation, we conducted the research on gene function and gene interaction of kernel size in maize, it would be useful to guide the molecular design breeding for yeild traits. Based on the previous study, the kernel length and width of corn grain were used for the target traits and corn UniformMu kernel type mutants were used for research materials, using Mu-Tail PCR and Mu-seq technology, we aimed to accurately identify Mu transposon insertion sites, thereby cloning of mutated genes by combing genotype and phenotype co-segregation. It would be helpful to mine excellent allelic variation or haploid type and develop function markers through association analysis of mutation genes. In addition, combing agronomy, genetics, biology and transcriptome multiple study method to analyze the single mutants and double mutant, we could investigate the gene functions and gene interaction about the kernel length and width of corn grain in maize. Moreover, to further research on genetic network about multiple gene interactions of corn grain, genome fixed-point modification techniques were used to create mutant materials contained different allelic gene variation. In conclusion, research on gene function and gene interaction of the kernel length and width of corn grain via multiple methods, it would be helpful to construct the genetic regulatory networks for maize yield traits and provide theoretical basis for high yield breeding using molecular design breeding.

玉米籽粒粒型基因的生物学功能及相互作用的研究，对解析玉米产量形成的遗传基础和指导产量性状的分子设计育种等具有重要的理论和实践意义。本项目拟在前期研究的基础上，以玉米籽粒粒长和粒宽为目标性状，以玉米UniformMu籽粒粒型突变体为研究材料，采用Mu-Tail PCR和Mu-seq技术，准确鉴定Mu转座子的插入位点，结合基因型-表型共分离确定并克隆突变基因；通过突变基因的关联分析挖掘优异等位变异或单倍型，开发功能标记；利用农学、遗传学、生物学和转录组学方法，对单突变体和双突变体进行分析，解析基因功能并阐明玉米籽粒粒型关键基因的互作关系；利用基因组定点修饰技术创制互作基因不同等位位点变异的突变体材料，为深入研究玉米籽粒形成多基因互作的遗传网络调控奠定基础。通过以上研究以期解析控制玉米粒长和粒宽形成关键基因的生物学功能和互作关系，为玉米产量性状的遗传调控网络解析及高产育种的分子设计提供理论基础。

玉米产量由单位面积穗数、穗粒数和粒重三部分组成，而粒型是决定粒重的重要因素，鉴定控制粒型形成的关键基因，发掘优良等位变异，研究其功能，探明多基因互作的调控网络等，不仅有助于系统阐明玉米粒型构成的遗传机制，也为玉米产量性状遗传改良及高产分子设计育种提供基因资源和理论支持。我们对稳定遗传的1份粒长、粒宽降低，1份粒长、粒宽增加的Uniform-Mu转座子插入突变体材料，采用Mu-Tail PCR和Mu-seq技术，鉴定Mu转座子的插入位点，并结合基因型-表型共分离确定导致表型变异的突变基因，结合转录组学的方法分析突变材料在籽粒不同发育时期相关基因转录水平的动态变化，筛选到1个控制籽粒发育、影响粒型变异的关键基因。结合EMS花粉诱变技术，对西南玉米生产上大面积利用的骨干自交系进行突变体库创制，获得了一个包含6000份M2家系，表型变异比较丰富的突变体库，并从中筛选鉴定了30多份稳定遗传的粒型变异突变体，将这些粒型突变体跟玉米自交系B73、Mo17、齐319等背景材料进行杂交，以此构建遗传分离群体，综合利用遗传学分析、图位克隆、BSAseq、BSRseq等技术，对多份粒型变异突变体进行了基因定位和克隆，现已成功克隆到3个具有不同生物学功能的粒型突变基因，结合籽粒发育的细胞学观察，基因亚细胞定位、组织特异表达、生物信息学等方法对其功能进行了初步鉴定。利用RNAseq技术对粒型变异突变体的差异表达基因进行了分析，获得一些共性表达和特异表达的基因，这些基因多数调控玉米籽粒胚乳、胚的发育及淀粉合成等途径。利用WGCNA算法对突变基因的共表达网络进行了构建，初步解析了玉米籽粒发育过程中关键基因的遗传互作关系，突变基因的表达调控机理。此外，我们还将这些粒型变异突变体进行了相互杂交，构建了多个粒型变异基因的双突、三突以及四突材料，下一步将在这些突变体基因个体功能解析的同时对粒型发育的基因互作进行系统研究，以期更好的阐明玉米粒型形成的网络调控过程。