全基因组遗传解析玉米耐旱性与复杂性状分析新策略探讨

Maize is one of the most important crops and drought is the main environmental constrain for maize production in both the world and China. Therefore, studies on maize drought tolerance related issues are very important in terms of both theoretical and application implications. Drevelopment of drought tolerance varieties through integrated conventional and molecular breeding programs has become one of the most effective approaches to address important issues in maize production. This project is proposed on the basis of our previous studies in the field of linkage, association mapping and joint linkage-association mapping for drought tolerance. Using our previously developed high-throughput and large-scale phenotyping methods, combined with genotyping by next-generation high-density molecular markers, resequencing and sequencing by genotyping (GBS), we will fine map the major locus qASIws, previously identified in our lab for anthesis-silking interval (ASI)as a drought tolerance related trait. Based on the genetic models of this locus, gene mining strategies, including selective genotyping and target region capture sequencing along with other strategies, will be then developed and testified. The further examination of the locus qASIws will lay a strong foundation with great theoretical and application potentials for understanding genetic networks and metabolic pathways for complex traits such as drought tolerance.

玉米是重要的粮食作物，干旱是我国乃至世界上玉米生产最主要的环境限制因子，因此开展玉米耐旱研究具有十分重要的理论与应用意义。采用常规与分子育种相结合的方法培育耐旱品种是解决此问题的主要途径之一。本申请将延续本实验室前期连锁、关联以及二者联合分析的研究基础，利用发展的高通量、大规模的表型鉴定方法，基于新一代高密度标记、重测序与全基因组基因分型（GBS）等信息与分析，在精细定位和分析我们前期鉴定的一个耐旱相关的雌雄开花间隔期主效位点- - qASIws8的基础上，以此位点为分析模型，探讨选择基因型分析 (selective genotyping) 与目标区域捕获基因型分析 (Target region capture sequencing) 等基因发掘策略的重要参数和可行性。深化qASIws8主效位点耐旱基因发掘，将为全基因分析玉米耐旱等复杂性状分析遗传网络与代谢途径奠定重要理论与技术基础。

本项目发展了适合耐旱性和复杂性状遗传解析的全基因组策略。这个策略主要包括三个方面，严格控制环境下的精准表型鉴定、综合利用各类群体的混合样品分析和深度测序、基于多杂种群体的全基因组关联分析（GWAS）。.首先，我们发展了适合杂种优势作物全基因组关联分析的多杂种群体。该群体包含51个骨干亲本材料。通过分享这些材料及其基因型数据，可以组配1275杂交组合，进行不同地点不同年份的大规模全基因组关联分析，从而对包括耐旱性在内的重要性状进行基因挖掘。.在国际上首次提出了环境型(envirotype) 和环境型鉴定的概念，为包括作物育种在内的作物科学提供了解码环境影响的参考技术和途径。“环境型鉴定”为耐旱等复杂性状的精准表型评价打下了基础。在测定环境因子的同时，在多年多点完成了包括多杂种群体在内的大量材料的耐旱表型和基因型鉴定，获得了包括测序、芯片和表型在内的大量数据，这些数据本身可以进行深入挖掘和分析，也可以与其他数据结合进行干旱和复杂性状的基因挖掘。.将传统的 bulked segregant analysis拓展为适合任何群体和性状的混合样品分析法（bulked sample analysis）, 可以用于干旱等复杂性状的快速基因定位和挖掘；结合DNA池分析和深度测序，鉴定出耐旱材料特定基因组区域候选基因位点的变异以及与抗旱有关的非同义SNP 及其对应的候选基因，这一方法在遗传学、基因组学等领域具有广泛的应用前景。.以耐旱相关和开花性状为例，首次在国际上利用高密度分子标记进行大规模多杂种群体的GWAS分析，为杂种优势利用作物提供了适合杂种性状研究的新途径， 将有助于解析复杂性状的配合力和杂种优势及其遗传机理， 并应用于作物的改良。GWAS分析鉴定出5个影响玉米耐旱相关性状和玉米开花性状的基因组区域及其候选基因。.通过对构成多杂种群体的51个亲本自交系的深度测序，获得了可以区分1275个潜在杂种的790万个SNP标记。亲本自交系和超高密度分子标记可以与国内外合作者分享，从而发展不同的多杂种群体、对不同农艺性状进行精细的遗传解析和表型的精准预测。