两个玉米杂交种杂种优势分子机理比较研究

Heterosis was intensively used in maize breeding to incease productivity , quality and resistance. But the underlying molecular mechanisms remain largely unknown. Many study showed allele-specific gene expression in hybrid and gene differential expression between hybrids and its parents might contribute to improve our understanding of the molecular basis of heterosis. In recent years, with the change of maize planting method, planting density become a important factor for maize heterosis. So two super-hybrid maize varieties "Zhengdan958 and Anyu5" were as materials. we compare transcriptome profiles of Zhengdan958, Auyu5 and its parental lines in different planting density(3000 plants/mu,4500 plants/mu ) by using Digital Gene expression Tag Profiling in this study, and analyze heterosis molecular mechanism. In addition,we will discuss hereditary effects of paternal lines and maternal lines in heterosis exploit. At the same time, heterosis associated genes and its pathway will be identified. Those results will provide theoretical support in heterosis for the use of maize genetic breeding.

杂种优势在传统的玉米育种过程中被广泛应用，使玉米杂交种在产量、抗性和品质等方面得到了大幅提高，但是其潜在的分子遗传机理仍不清楚。许多研究表明玉米杂交种中等位基因差异表达、杂交种与亲本间基因差异表达的调控机制是认识杂种优势分子机理的有效途径。近年来随着玉米种植方式的不断变化，种植密度对杂种优势潜力的发挥也起着重要的作用。因此，本研究以两个强优势玉米杂交种郑单958和安玉5号为基础材料，利用数字表达谱技术对不同密度条件下（3000株/亩和4500株/亩）郑单958及其亲本（母本郑58，父本昌7-2）、安玉5号及其亲本（母本掖478、父本昌7-2）不同组织的转录组进行差异基因表达比较分析，探讨不同密度条件下杂交种杂种优势形成的分子机理，同时解析母本自交系、父本自交系在玉米杂种优势中的遗传效应，明确玉米杂种优势形成可能相关的基因和调控网络，为杂种优势在玉米遗传育种中进一步应用提供理论支撑。

杂种优势在传统的玉米育种过程中被广泛应用，使玉米杂交种在产量、抗性和品质等方面得到了大幅提高，但是其潜在的分子遗传机理仍不清楚。许多研究表明玉米杂交种中等位基因差异表达、杂交种与亲本间基因差异表达的调控机制是认识杂种优势分子遗传机理的有效途径。近年来随着玉米杂交种种植密度的不断提高，杂种优势潜力对玉米的产量的贡献率也逐渐呈下降趋势。因此，本研究以两个强优势玉米杂交种郑单958和安玉5号为基础材料，利用转录组测序技术对不同密度条件下（3000株/亩和4500株/亩）郑单958及其亲本（母本郑58，父本昌7-2）、安玉5号及其亲本（母本掖478、父本昌7-2）穗位叶转录组进行差异表达基因比较分析和加权基因共表达网路分析（WGCNA），探讨不同密度条件下杂交种杂种优势形成的分子机理，同时解析母本自交系、父本自交系在玉米杂种优势中的遗传效应，明确玉米杂种优势形成可能相关的基因和调控网络，为杂种优势在玉米育种实践中进一步应用提供理论支撑。研究结果表明：在高种植密度条件下，母本效应基因主要富集在光合作用和碳水化合物的代谢合成途径，父本效应基因主要富集在生物胁迫、非生物胁迫及植物激素等途径。WGCNA表明，较高的种植密度可诱导生物/非生物胁迫、植物激素合成、泛素介导的蛋白质水解等相关基因的表达，抑制能量合成相关基因。同时研究还发现，母本基因和父本基因在光合反应过程中分别起着不同的作用。最终鉴定出4个高密度条件下杂种优势相关的基因，分别在光合效率、淀粉合成、生长素代谢、基因沉默和RNA干扰等方面起着重要的作用。本研究进一步明确了母本遗传效应和父本遗传效应在玉米杂种优势利用中的作用，同时解析了种植密度与杂种优势之间的关系。该研究对于全面解析杂种优势的分子机制、发掘杂种优势相关基因、预测杂种优势等方面有着重要的理论意义和实践指导价值。