玉米粒长主效QTL位点qKL1.07的精细定位与候选基因挖掘

Kernel length of maize is one of key factors determining grain weight, and an important target trait for germplasm enhancement and genetic improvement. Thus, fine mapping and key genes prediction of major QTLs underlying kernel length have important theoretical and practical significance for revealing the genetic basis of kernel length and carrying out molecular breeding. In this project, a near-isogenic line (NIL), that incorporates the target QTL-qKL1.07 for kernel length, was developed by several cycles of backcrossing and selfing. Massive fine-mapping populations will be constructed by using the NIL. Genotypes of the target QTL and phenotypes of kernel length of these populations will be evaluated and used in the fine mapping of the qKL1.07. Based on the results of the fine mapping of the qKL1.07, bioinformatics analysis and gene expression profiling method will be used to identify candidate gene(s) responsible for the qKL1.07. Then, sequence analysis and gene expression analysis will be carried out to reveal the sequence difference and expression pattern in the different stages of kernel development for candidate gene(s) of the qKL1.07, respectively. In addition, candidate gene-based association analysis will be performed to validate biological function of candidate gene(s) for the qKL1.07. This project may provide key gene(s), functional markers and elite haplotypes for maize breeding.

粒长是玉米粒重的重要决定因子之一，也是玉米种质创新和品种改良的重要目标性状。粒长主效QTL的精细定位与关键基因挖掘，对揭示玉米籽粒形成的遗传基础、开展分子育种具有重要的理论价值和实践意义。本项目以粒长主效QTL-qKL1.07为研究对象，利用多代回交和自交获得的近等基因系为基础试验材料，构建大规模精细定位群体，进行目标区段基因型和粒长表型鉴定，实现对qKL1.07的精细定位。在精细定位基础上，利用生物信息学分析、表达谱分析，确定qKL1.07的候选基因。然后，利用序列分析、基因表达分析，明确qKL1.07候选基因的序列特征及其在籽粒不同发育时期的表达模式，并利用候选基因关联分析方法验证其功能。本项目可为玉米育种提供重要基因、功能标记和优异单倍型。

本项目以控制粒长主效QTL-qKL1.07为研究对象，利用多代回交和自交获得的近等基因系为基础研究材料，开展qKL1.07位点的精细定位与遗传效应评估、候选基因挖掘和功能验证，取得的重要结果包括：1. 利用近等基因系NIL-1061构建了一个包含8375个F2单株的精细定位群体，结合开发的高密度标记，将qKL1.07位点精细定位到B73参考基因组48 kb区间内，该区间内注释了2个候选基因Zm00001d032035和Zm00001d032036，分别编码细胞色素P450蛋白和羧酸酯酶。2. 开展了近等基因系qKL1.07Mo17和qKL1.07HZS授粉后第6、12和18天籽粒组织的转录组测序，共检测到2511个差异表达基因，其中231个基因在3个时期均差异表达。3. 基于精细定位、差异表达基因、生物信息学分析、序列比对、qRT-PCR等方法，确定Zm00001d032035是qKL1.07位点的候选基因。4. 基于粒长多样性群体开展了候选基因关联分析，结果表明Zm00001d032035基因编码区4个SNP和粒长显著关联。5. 利用基因编辑技术敲除玉米自交系B104中基因Zm00001d032035，表型鉴定结果表明T1代阳性转基因植株粒长显著高于野生型。综合以上结果，Zm00001d032035基因是控制粒长qKL1.07位点的关键基因，为阐明玉米籽粒形成的分子机制奠定基础，也为玉米分子育种提供重要的基因资源和功能标记信息。