玉米粒型性状形成关键基因的克隆及遗传解析

The identification and functional elucidation of key genes for kernel type of maize are particular helpful for dissecting the genetics basis and for guiding genetic improvement of grain yield of maize. Early investigation in our lab has identified and finely mapped two major QTLs for kernel length and kernel thick. In the project, we are trying to isolate the candidate genes underlying these two QTL (QTGs) by linkage mapping and chromosome substitution mapping. Moreover, the function and action mechanism of candidate genes for kernel length and kernel thick will be analyzed based on the genetic transformation and the progeny's transcriptome analysis; the allelic variation of key candidate genes will be identified by association analysis; 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. The main objectives are to elucidate the genetic mechanism and molecular mechanism of candidate genes in regulation of maize kernel length and kernel thick, to provide the gene resource and theoretical guidance in genetic improvement of maize kernel traits.

鉴定玉米粒型相关的关键基因及其生物学功能对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的理论和实践意义。本课题组前期鉴定并精细定位了粒长和粒厚相关的QTL。本项目拟在课题组前期研究的基础上，以影响玉米籽粒粒型性状中的重要因子粒长／粒厚（KL/KT）为研究的目标性状，采用连锁分析和染色体置换作图策略，完成KL/KT关键主效QTL/基因(QTGs)的进一步精细定位及克隆；通过候选基因的遗传转化及转基因植株后代的遗传和转录组分析，深入研究候选基因的功能和作用机理；关联分析探明重要候选基因的等位变异；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粒长和粒厚形成的关键基因并阐明其形成的遗传机理和分子调控机理，为玉米籽粒产量性状的遗传改良提供基因资源和理论指导。

本项目主要研究内容为玉米粒型基因的定位克隆及功能解析。通过本项目的实施，利用图位克隆的方法克隆了玉米粒长主效QTL qKL9；与此同时成功克隆了两个玉米粒型基因Emp10和Emp11，并解析了其功能。首先，利用染色体置换的方法图位克隆了玉米粒长主效QTL qKL9，命名为ZmbZIP60，该基因在籽粒发育的各个时期均有表达，在发育中的胚乳和种子中的表达量相对较高；对ZmbZIP60基因进行重测序分析，发现该基因的5’UTR及第一个内含子上在小粒亲本MC中分别存在一个288bp及576bp的转座子插入，分别命名为TE1与TE2；利用关联分析初步证实TE1与籽粒粒长表型显著关联。进而利用候选基因关联分析发现在基因的第一个内含子末端934及第二个外显子1125上存在三个与粒长性状显著关联的位点，并将这三个位点分为了6种不同的单倍型材料，其中单倍型2的组合是一种优良单倍型。利用PZZ及CRISPR载体对候选基因进行了玉米的遗传转化，目前均已经获得T1代阳性转化事件，为后续该基因的功能分析及作用机理解析提供了试验材料。PPR蛋白家族在玉米、水稻中有数百个家族成员，对植物的生长发育发挥重要作用。本项目中，利用Mu突变体为材料，利用侧翼序列分离及定位克隆等方法，分别克隆了Emp10和Emp11两个PPR蛋白相关的粒型基因。经过功能分析发现，Emp10编码一个靶向线粒体的P型PPR蛋白，该基因的突变导致线粒体基因nad2的第一个内含子不能被正常剪切，导致了线粒体复合体1的组装缺陷，最终导致籽粒的胚和胚乳发育缺陷，形成空皮表型；Emp11编码一个含有16个PPR重复基序的P型PPR蛋白，该基因影响线粒体基因nad1四个内含子的剪切，nad1是线粒体复合体1的中心组分，同样的，Emp11的突变也使得线粒体复合体1不能正常组装，线粒体供能受阻，导致籽粒的缺陷表型，RNAi阳性转化事件的表型同样证实了该基因对籽粒发育的影响。本项目取得的研究结果，为玉米粒型代谢调控网络的解析及玉米粒型的遗传改良提供重要的基因资源及指导意义。