基于糯玉米近等基因系的支链淀粉合成相关基因的序列多态性与功能模型分析

Starch concentration and composition in maize kernel are complex traits controlled by many genes. Maize has numerous recessive single gene mutant affecting the structure and composition of starch. This project intends to efficiently detect the differences of key starch biosynthesis enzymes in gene sequences and phenotypes and establish Relation Models of them. So base on 280 BC7F2:3 population of waxy corn constructed, we could utilize sequencing and sequence comparison to find SNPs of 10 key candidate genes involved in kernel amylopectin biosynthesis and develope 3 to 5 functional markers and establish the Relation Models of SNPs and phenotypes by difference analysis of gene sequences and expression between parents and progenies, normal and waxy corn. We may conjecture the function of SNPs of candidate genes in pathway of amylopectin biosynthesis so as to offer theory reference and technical support for further genetic improvement and Molecular Design Breeding of waxy maize.

玉米籽粒中淀粉的组成和比例是多基因控制的数量性状，存在着许多隐性单基因遗传突变，这些突变可以不同程度的改变籽粒淀粉的组成和结构。本项目拟利用具有纯合遗传背景的糯玉米高世代材料高效、准确地检测出淀粉合成关键酶在基因序列与表型上的差异，并根据表型信息及遗传规律，建立基因多态性位点与功能的关系模型。在此基础上，以前期已构建的糯玉米近等基因系（280个BC7F2:3家系）为材料，通过对10个涉及籽粒淀粉合成的关键候选基因进行基于测序为基础的支链淀粉合成相关基因SNP差异位点分析，通过序列比对明确目标基因在亲本与后代、糯与普通玉米序列间的差异，并根据淀粉合成关键酶的活性、淀粉粒特性等指标，筛选出3-5个功能分子标记；利用多元回归分析、经验贝叶斯等方法建立基因多态性位点与功能的关系模型，推测候选基因SNPs位点在支链淀粉合成途径中所起到的关键作用，为糯玉米的遗传改良和分子设计育种提供理论参考。

本项目针对玉米淀粉合成相关的候选基因分段设计引物，提取双亲基因组DNA，进行PCR扩增，测序、拼接。研究表明，ae、sh2、bt2、du1、wx、su1、 sus1基因的全长分别为19797bp，8413bp，5964bp， 11461bp，3249bp， 8450bp，8726bp。双亲的sus1、bt2和sbe1基因的6条完整序列发表在NCBI 数据库中，基因登录号为：KJ509189、KJ466126、KR337995、KR337996、KR706462、KR706463。.对BC5F2:3群体的淀粉合成相关酶酶活、糖含量及淀粉的糊化特性进行分析，结果显示：直链淀粉含量与果糖含量和葡萄糖含量极显著正相关。果糖含量与葡萄糖含量呈现出极显著正相关。直链淀粉含量与SS活性、GBSS活性和SSS活性极显著正相关。SS酶活与GBSS、SSS、SBE和DBE活性呈显著正相关。GBSS与SSS和SBE表现出显著相关性。AGPase酶活与SBE表现出显著负相关性。这些结果表明淀粉合成酶之间相互影响，共同完成淀粉合成代谢。.直链淀粉含量影响淀粉的糊化特性，二者存在相关性。玉米籽粒直链淀粉含量与糊化温度极显著正相关，糊化温度与峰值粘度、崩解值和最终粘度均表现出极显著负相关性。峰值粘度与崩解值和最终粘度呈现出极显著正相关。崩解值与最终粘度也表现出极显著正相关。.依据亲本间基因序列比对结果，找到了150个SNP位点，结合氨基酸序列差异，设计73对SNP引物，利用Rotor Gene Q（QIAGEN）高分辨率熔曲线（HRM），对BC5F2:3群体进行分型。结合表型分析，与直链淀粉含量连锁最为紧密的标记为marker 2,17,31,12,13,16，与淀粉崩解值连锁最为紧密的标记为marker 5,31,24，与淀粉的峰值粘度连锁最为紧密的标记为marker 3,10，与淀粉的峰值时间连锁最为紧密的标记为marker 17,31,12,14，与淀粉的糊化特性连锁最为紧密的标记为marker 31,10,26，与淀粉的最终黏度连锁最为紧密的标记为marker 17,3,24。其中marker 31与直链淀粉含量、淀粉崩解值、峰值时间及糊化特性均连锁紧密。Marker 17与直链淀粉含量、淀粉的峰值时间和淀粉的最终黏度均连锁紧密。Marker 12与直链淀粉含量及淀粉的峰值时间连锁紧密。