作物分子设计育种理论及其在玉米株型改良中的应用研究

With the development of various kind of omics and bioinformatics, it has been available to carry out the theoretical and applied studies for molecular breeding by design in maize. In this project, we will focus on the theoretical study for the molecular breeding by design in maize ideotype. We will aim at three kinds of candidate genes related with maize plant-type characters, the cloned functional genes in maize, maize homologous genes of the cloned functional genes in other species and the candidate genes projected by consensus QTL obtained from maize MetaQTL analysis. A set of maize natural populations will be essayed for plant-type characters and be sequenced using the target sequence capture sequencing technology on the NimbleGen platform. The objective is to develop a statistical approach to multivariate association mapping and to find the elite alleles associated with plant-type characters. In addition, we plan to estimate the effects and heritability attributed to these sequence variations in order to obtain the best genotypes for maize ideotype. Finally, we will model various mating designs and selection schemes by computer simulation so as to choose the optimal breeding scheme and further to validate it in a real maize breeding program. The results will be helpful to high-yield breeding of maize.

随着各种组学和生物信息学的发展，开展玉米分子设计育种理论和应用研究已成为可能。本项目以玉米理想株型的分子设计理论为主要研究内容，围绕玉米中的三类基因：已克隆获得的与株型性状相关的功能基因、其他作物克隆获得的与株型相关的功能基因在玉米中的同源基因以及通过MetaQTL分析获得的株型性状相关的一致性QTL在玉米基因组中映射获得的候选基因，采用目标基因区域序列的定点捕获和重测序技术，结合自然群体株型相关性状的测定结果，发展出多性状、多基因联合关联分析方法，筛选出目标候选基因的重要变异位点，并估计其对株型性状表型的效应及贡献率，以之获得相关基因的优异等位变异及符合玉米理想株型的最佳基因型。最后采用计算机模拟手段，模拟各种可能的杂交和选择方案，确立最佳育种方案并在玉米株型改良中开展应用研究。研究结果可为玉米高产育种提供技术支撑。

随着各种组学和生物信息学的发展，开展玉米分子设计育种理论和应用研究已成为可能。本项目首先在分子设计育种理论和方法方面做了以下两个工作：一是提出一种基于LASSO的多位点关联分析方法和基于偏最小二乘方法的多性状联合关联分析方法，可以提高关联分析方法对QTL的检测功效和效应估计值的准确度与精确度；二是发展了基于全基因组分子标记基因型进行自交亲本和杂交种表型预测的多变量模型和多性状选择指数方法，为利用各种组学信息进行玉米杂交种表型预测奠定了基础。在以上基础上，围绕玉米中的三类基因：已克隆获得的与产量和株型性状相关的功能基因、其他作物克隆获得的与产量和株型相关的功能基因在玉米中的同源基因以及通过MetaQTL分析获得的产量和株型性状相关的一致性QTL在玉米基因组中映射获得的候选基因，筛选获得了163个与玉米产量和株型性状相关的候选基因，采用目标基因区域序列的定点捕获和重测序技术，对前期构建的一个包括349个玉米自交系的自然群体完成了候选基因的序列捕获，共获得582Gb的目标序列重测序数据。捕获目标区段全长为1193.2kb，每个区域平均长度为7.32kb，目标区段平均测序深度均大于100倍，目标区段在供试群体中经重测序共获得47023个SNP，平均每一基因具有288个SNP。结合该群体17个产量和株型相关性状的测定结果，采用发展的多位点LASSO方法进行关联分析，共检测到216个SNP位点与17个性状显著关联，涉及70个候选基因，其中27个候选基因同时影响多个性状。在216个显著位点中，26个SNP与多个性状显著关联。骨干亲本黄早四、丹340、自330、Mo17和掖478在136个显著变异位点上携带相同的等位变异，在显著关联的变异位点中，5个骨干亲本分别含有106、106、102、104和99个增效等位变异。围绕这些产量和株型相关的候选基因，采用计算机模拟手段，筛选获得了113份携带较多优异等位基因的玉米种质材料进行了育种应用验证。以上研究结果为利用获得的优异变异开展高产育种提供了重要参考。在该项目的资助下，培养博士后1人，博士研究生2人，硕士研究生3人；发表SCI论文6篇，获得软件著作权2个。