利用联合连锁分析剖析玉米茎秆细胞壁组分及消化品质性状遗传基础

Maize cell wall components have an important influence on digestibility. Dissecting the genetic architecture and gene cloning of maize stalk cell wall components and digestibility traits would be helpful for forage quality improvement. In this study, we use By815 as common parent crossed with DE3, KUI3 and K22 as genetic material which consisted of 608 recombinant inbred lines. Lignin, cellulose, hemicellulose, acid detergent fiber, neutral detergent fiber and in vitro dry matter digestibility were measured with near infra-red spectroscopy, and together with high density genetic maps to perform joint linkage analysis for cell wall components and digestibility traits in maize stalk. According to the QTL mapping results and high density markers, heterogeneous inbred family for major effect QTL will be screened to perform fine mapping and gene cloning. The results in this study will be helpful for understanding cell wall component biosynthesis and genetic mechanism of digestibility. Molecular markers and advantage alleles found in this study will be useful for forage maize improvement.

玉米细胞壁组分对玉米植株的消化品质影响巨大。挖掘玉米细胞壁组分及消化品质性状遗传机理及相关基因的克隆对改良饲用玉米茎秆饲用品质有重要的意义。本研究拟用BY815为共同亲本与DE3、KUI3、K22构建的包含608个家系的联合连锁分析群体为遗传材料，利用近红外光谱分析仪对木质素、纤维素、半纤维素、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维、体外干物质消化率进行测定，并结合包含56110个SNP的芯片基因型数据及高密度遗传图谱对玉米成熟期茎秆细胞壁组分及消化品质性状进行遗传基础分析。根据定位结果，结合高密度标记筛选剩余杂合材料，对主效QTL位点进行精细定位和基因克隆。本课题的研究结果可以为进一步理解玉米细胞壁组分合成代谢及消化品质的遗传机制提供帮助。根据研究结果开发的分子标记和挖掘的优良等位基因可应用于饲用玉米的品质改良。

玉米茎秆细胞壁主要组成成分包括木质素、纤维素等物质，这些成分可以影响细胞壁的结构导致茎秆强度乃至植株的抗倒伏能力。此外，这些成分还与玉米植株干物质的消化率息息相关。本课题利用BY815与K22、BY815与DE3、KUI3与BY815构建的3个玉米重组自交系群体对木质素、纤维素、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维、体外干物质消化率等性状进行遗传基础研究。通过三年多环境的表型测量发现在本研究中的RIL群体中细胞壁组分及消化率性状存在广泛的变异，各性状遗传力均高于0.8。相关性分析结果表明，体外干物质消化率与纤维素、木质素、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维之间存在显著的负相关关系，其中木质素含量对干物质消化率影响最为显著。结合高密度遗传图谱和基因型数据，对单个RIL群体进行连锁分析共检测到58个与细胞壁组分及消化率性状有关的QTL，单个QTL位点可以解释的表型变异为0.5%-14.3%，其中有7个QTL解释的表型变异大于10%。在单个RIL群体中各性状主要是由多数的微中效的QTL和少数主效QTL共同控制的表型变异。对单个RIL群体的连锁分析结果分析发现在1、2、3、5、7号染色体上存在多个QTL区段同时控制多个性状的变异，是细胞壁组分及消化率性状的QTL热点区域。整合3个重组自交系的遗传图谱并进行联合连锁分析，共检测到125个控制各细胞壁组分及消化率性状的QTL位点，其中木质素相关的QTL位点最多。单个位点可以解释0.31%-0.68%的表型变异。控制多个性状的共定位QTL主要分布在1、3、7号染色体上的10个染色体区域内。联合连锁分析结果表明各性状的遗传基础主要由数量繁多的微效基因控制。在联合连锁分析与单群体连锁分析结果比对后，在共定位的QTL置信区间内提名了6个与细胞壁合成相关的候选基因。本研究利用两种方法剖析玉米茎秆细胞壁组分及消化品质的遗传基础，定位了控制各性状遗传变异的QTL位点，挖掘了各位点的优异等位基因和分子标记，为进一步克隆细胞壁合成相关基因和理解细胞壁成分及消化品质性状的分子遗传机理奠定基础。