玉米叶夹角主效QTL的精细定位及候选基因挖掘

Leaf angle is an important trait determining the plant type of maize. It affects the distribution of sunlight and carbon dioxide in the canopy and the utilization of sunlight among the populations, and ultimate grain yield. Previously, using two sets of primary mapping populations, we identified a major QTL for leaf angle, qLA5, which has already been confirmed across multi-environments and multi-genetic backgrounds. Further, the near isogenic lines (NILs) carrying different alleles at qLA5 were developed by marker assisted selection. With a large secondary separating populations derived from from NILs with heterozygous genotype at qLA5, we narrowed the region of qLA5 to an interval of 3.5Mb. Based on the results mentioned above, works will be carried out as following: (1)qLA5 will be fine-mapped using the method of overlapped mapping based on near isogenic lines；(2)combined bioinformatics analysis, sequence analysis, RT-PCR technology and association analysis, the candidate gene responsible for the qLA5 will be identified and validated; (3)the breeding value and the cytological basis of qLA5 will be studied using NILs. The results obtained here will give important scientific values for elucidating the molecular mechanism of the formation of leaf angle, and provide practical significance for the improvement of molecular breeding for plant type of maize.

叶夹角是决定玉米株型的重要因子，直接影响光和CO2的在冠层内的分布及群体的光能利用，最终影响产量。项目前期利用两套作图群体，检测到一个控制叶夹角的主效QTL（qLA5），验证其具有环境和遗传背景稳定性，并通过分子标记对qLA5和遗传背景进行跟踪，构建了qLA5近等基因系，并利用目标区段杂合的近等基因系构建了次级大分离群体，经过第1轮精细定位已将qLA5限定在3.5Mb的区间内。在此基础上，拟开展以下工作：(1)利用基于近等基因系的重叠作图方法，实现对qLA5的精细定位；(2)利用生物信息学、序列分析、转录水平差异分析和关联分析方法实现对候选基因的挖掘；(3)利用遗传背景相同的近等基因系，通过细胞学观察，明确qLA5调控叶夹角的细胞学基础，并精细评估qLA5的育种价值。本研究结果对明确玉米叶夹角形成的分子调控机理具有重要的科学价值，对提升我国玉米株型分子育种水平具有重要的现实意义。

叶夹角是决定玉米株型的重要因子，直接影响光和CO2的在冠层内的分布及群体的光能利用，最终影响产量。项目前期利用两套作图群体，在第5染色体上初定位一个控制叶夹角的主效QTL（qLA5）。在此基础上，本研究以仅在qLA5位点分离的高代回交群体BC4F3和BC4F4为材料，基于近等基因系的重叠作图方法，将qLA5由8.3Mb区间精细定位至57kb区间。利用生物信息学方法在该区间内预测2个候选基因（Zm00001d017925和Zm00001d017926），通过功能预测发现编码钾离子转运蛋白的Zm00001d017925可能是qLA5的候选基因。序列分析双亲的Zm00001d017925基因发现第9外显子存在2处SNP可导致氨基酸性质改变。转录水平差异分析表明，Zm00001d017925在qLA5Zheng58-NIL和qLA5Tong759-NIL叶枕发育的早、中和晚期相对表达量均存在显著差异（P<0.05）。以147份多样性群体为材料，通过Zm00001d017925编码区的3841bp序列和ATG上游2kb的启动子测序结合连续3年的叶夹角表型鉴定，候选基因关联分析检测到23个位点与叶夹角极显著关联（P<3.47E-03）。单倍型分析发现-949bp和3480bp可将147份材料分成3种单倍型，其中最优单倍型（HAP1）“—” + “—”比单倍型3（HAP3）在2017年、2018年、2019年和3年联合的BLUP下分别降低叶夹角14.12度、16.86度、11.92度和13.25度（P<0.05），具有重要的育种价值。285份关联群体表型相关结果表明，叶夹角与叶枕夹角极显著正相关（P<0.01）。qLA5近等基因系叶枕部位的细胞学观察发现，叶枕部位的细胞数目是qLA5引起叶枕夹角度差异的主要原因。52500株/公顷低密度条件下，qLA5Zheng58-NIL与qLA5Tong759-NIL单株产量无显著差异（P>0.05），而90000株/公顷高密度条件下，qLA5Zheng58-NIL单株产量比qLA5Tong759-NIL显著提高（P<0.05）。本研究结果对明确玉米叶夹角形成的分子调控机理具有重要的科学价值，对提升我国玉米株型分子育种水平具有重要的现实意义。