玉米穗粒数形成的关键基因克隆与功能解析

The identification and functional elucidation of key genes for Kernel Number per Ear (KNE) of maize are particularly helpful for dissecting the genetics basis and for guiding genetic improvement of grain yield of maize. Earlier investigation in our laboratory has identified and finely mapped serveal QTL for kernel row number and kernel number per row. In the project, we are trying to isolate the candidate genes underlying these QTL (QTGs) by linkage mapping and chromosome substitution mapping. Moreover, A high throughput genotyping strategy will be estibalished through integration of multiple advanced techniques including target region capturing, Barcoding and Solexa sequencing, and then is used to refine the KNE-associated genes (KAGs) from those cloned genes regulating inflorescence development and grain yield in rice and/or maize by association mapping. Furthermore, maize genetic transformation, mutant genetic assay and molecular marker-aided selection will be used to elucidate biological function and interaction networks of candidate genes. The Yeast-one hybrid, Yeast-two hybrid, Chromatin immunoprecipitation and RNA-seq will be empolyed to assay regulatory pathways of candidate genes. The genetic diversity in both teosinte collections and maize inbred lines will be assayed to reveal the molecular evolution of candidate genes during domestication and improvement of maize. Our objectives are to elucidate biological function and acting mechanism of candidate genes in regulation of KNE in maize

鉴定玉米穗粒数的关键基因及其生物学功能对于解析玉米产量形成的遗传基础和指导产量性状的遗传改良具有重要理论与实践意义。本课题组前期鉴定并精细定位了多个玉米穗行数和行粒数相关QTL。本研究我们拟采用连锁分析和染色体置换作图克隆这些QTL的候选基因；利用定点捕获、Barcode标记和Solexa测序相结合的高通量基因分型技术检测玉米自交系群体中已克隆的水稻、玉米花序发育和产量相关基因的多样性，关联分析发掘玉米穗粒数候选基因；通过转基因后代分析、突变体遗传分析、分子标记辅助选择等探明候选基因的生物学功能和遗传调控网络；应用酵母单杂交、酵母双杂交、染色质免疫沉淀和转基因植株或突变体的转录组分析等解析候选基因的调控网络。大刍草与玉米自交系中候选基因遗传变异分析，探讨候选基因在玉米驯化和改良中的分子进化。通过以上研究以期克隆控制玉米穗粒数形成的关键基因并阐明其生物学功能和分子调控机理。

在项目资助下，我们对玉米穗行数遗传位点进行了全基因组关联分析，共鉴定到了31个显著关联的SNPs，代表17个显著关联位点。单位点所解释的表型变异（PVE）为2.45 to 10 %， 24个SNP的PVE大于5%。连锁分析鉴定到33个QTLs，可合并为21个一致性QTLs。94%的QTL的PVE 大于 5%，28%的QTL的PVE 大于 10%；63.6% (21/33)的QTL为加性效应或部分显性QTL。表明大部分穗行数位点具有较大的加性效应。整合连锁与关联分析结果，我们发现70%（12/17）的穗行数显著关联位点和前人报道的穗行数QTL热点区或是NAM群体检测到的SNP热点区共定位，或与本研究检测到QTL共定位。同时本研究还检测到了5个新的穗行数显著关联的位点以及11个穗行数QTLs。利用图位克隆策略，我们将一个玉米穗行数主效QTL KRN4定位于Unbranched3下游60Kb处的约3-Kb区段内。在该区段内，两亲本间存在约1.2-Kb插入/缺失的差异（1.2-Kb PAV）。研究KRN4、UB3及穗行数三者间的关系发现，KRN4通过调节UB3表达来调控玉米穗行数的变异，且UB3表达量玉米穗行数负相关。候选区段的关联分析发现，KRN4区段的1.2-Kb PAV与穗行数显著关联，为KRN4的功能性变异位点。前人报道的UB3中的A/G SNP (S35)，在本研究的关联分析群体中同样被检测到与穗行数显著关联。在精细定位群体中，S35位点的遗传效应较弱，但是S35与1.2-Kb PAV遗传互作具有更大的遗传效应。分子进化分析发现，1.2-Kb PAV在玉米的驯化和改良过程中受到强烈选择，优良等位基因频率在现代玉米自交系中被显著提高。S35为现代玉米改良过程中新产生的突变位点。1.2-Kb-PAV-S35的最优单倍型Hap1，在温带玉米遗传改良中被选择和富集，而在热带玉米种质资源中仍为稀有等位基因。.本研究分离了一个玉米产量相关性状的QTL，并解析了其生物学功能、作用机理及其在自然群体中的功能位点、等位变异、遗传效应和分子驯化等；另外，也鉴定到了一批穗行数显著关联的位点和QTL。这些研究结果为基因间区调控产量相关性状的数量变异的假说提供了实验支持，也为玉米穗行数遗传改良提供了可供选择的靶点。