基于近等基因系的玉米籽粒大小主效QTL精细定位和候选基因挖掘

Kernel size is one of the key factors that determined the yield potential, which is also the important trait of germplasm enhancement and variety improvement in maize. In this study, based on phenotype evaluation and introgression segments identification of near isogenic line, large scale fine mapping population will be developed. Then the QTL of kernel size related will be fine mapped by the phenotype and genotype identification of large population. And the candidate genes that related to kernel size will also be discovered by the utilization of bio-informatics analysis, comparative genomics analysis, as well as candidate gene expression analysis. At last, the functional mutants and the biology function of the candidate gene will be probed by association analysis based on an association panel that is constructed special for the genetic dissection of kernel traits related. More candidate genes of kernel size related will be discovered in study. And it is also expected to provide some guidance to the strategy of high efficiency gene discovery of complex quantitative characters in maize.

籽粒大小是决定玉米单产水平的关键产量因子之一，也是玉米种质创新和品种改良的重要目标性状。本项目利用近等基因系为基础研究材料，以玉米籽粒大小为目标性状，借助精准表型鉴定和导入片段分析，通过构建籽粒大小主效遗传区段的大规模精细定位群体，实现玉米籽粒大小主效QTL的精细定位。随后，利用生物信息学分析、比较基因组学分析和候选基因表达分析等多种技术手段，挖掘玉米籽粒大小相关候选基因。最后，利用玉米籽粒性状遗传研究专用的关联分析群体，进行基于候选基因的关联分析，以挖掘其功能性突变位点，验证其生物学功能。本研究将为玉米籽粒大小调控机制的深入研究提供更多的基因位点，同时还可为玉米数量性状关键基因的高效挖掘提供借鉴。

籽粒性状关键基因的发掘是解析玉米产量性状形成遗传调控网络的重要工作基础。本项目以近等基因系和关联分析群体为研究材料，采取图位克隆策略，结合生物信息学分析、比较基因组学分析、表达分析和关联分析等技术手段，进行玉米籽粒相关性状关键基因位点的精细定位和候选基因挖掘，以期为玉米籽粒相关性状调控机制的深入研究提供更多的基因位点。本项目主要结果如下：.（1）利用近等导入材料与轮回亲本构建的F2、F2:3及F3分离群体，将主效位点初步定位在Bin4.08约1.6 Mb的染色体区段之内。遗传效应分析发现，该位点可通过减少穗行数，增加粒宽，从而增加籽粒的百粒重，因此命名为qkrnw4。在轮回亲本B73遗传背景下，该位点的纯合导入可减小穗行数1.6行，增加粒宽0.4mm，增加百粒重1.5g。.（2）种植目标区段为杂合基因型植株的自交后代，借助单株基因型鉴定，开展了纯合重组家系（HR）及来自同一单株的纯合非重组家系（HNR）的筛选。在此基础上，通过比较目标区段内HR和HNR植株的穗行数表型差异，将主效位点qkrnw4精细定位至约150 kb的染色体区间之内。.（3）根据玉米参考基因组序列，在主效位点qkrnw4区段之内区间内，共发现5个基因。根据已经公布的美国NAM群体亲本表达谱数据，GRMZM2G118490在玉米雌穗和茎尖分生组织中特异表达，并发现该基因与玉米穗行数关键调控基因UB3在穗部和茎尖分生组织中的表达量呈现极显著正相关。同时，开展了近等导入系1133B与轮回亲本B73雌穗幼穗的转录组分析，发现GRMZM2G118490的表达量在1133B和B73之间存在极显著差异。因此，推测GRMZM2G118490为qkrnw4的重要候选基因。另外，利用区域关联分析，在qkrnw4下游紧密相邻的GRMZM2G078198内部，检测到大量穗行数显著关联位点。GRMZM2G078198与ELF6、REF6等同属jumonji（Jmj）类转录因子，而ELF6、REF6编码蛋白在拟南芥花期调控和籽粒发育方面具有重要生物学功能，因此，推测该基因的表达可能同样对玉米穗行数和籽粒大小具有重要的生物学功能。