玉米主效分蘖数QTL-TIN8的克隆

One of the key steps during maize domestication is the transition of plant architecture from multiple tillers of teosinte to mono culm of modern maize, teosinte plants generally possess plenty of genetic diversities in plant architecture. However, the molecular basis for this transition still remains largely unknown. This project firstly applied GBS (Genotyping By Sequencing) to determine the genotypes of the plants of a population derived from the crosses between teosinte and maize, and a major QTL of tiller number (TIN8) on maize chromosome 8 was identified, then fine mapping of TIN8 was performed through a modified method, and association mapping will be applied to accelerate the cloning of TIN8. The project will dissect the molecular mechanism for tillering underling TIN8 during domestication, identify the gene regulatory network for tillering, and help us to deeply understand this key transition of plant architecture during maize domestication.

从大刍草多分蘖到现代玉米独杆这一株型改变是玉米驯化过程中的一个关键性变化，大刍草株型存在着丰富的遗传变异，然而这一驯化中的关键株型变化的分子机制仍待深入研究。本项目利用GBS（Genotyping By Sequencing）技术对一个大刍草×玉米的群体进行快速的基因型分析，鉴定出一个位于玉米第8染色体上的主效分蘖QTL-TIN8，然后我们对TIN8进行精细定位，再利用关联分析来加速克隆TIN8，阐明TIN8在驯化过程中控制分蘖形成的分子机制及其分子调控网络。这个项目将为我们深入理解玉米驯化过程中这一关键的株型变化提供理论基础。

从大刍草的多分蘖转变到栽培玉米的独秆是玉米驯化过程中的一个关键的变化，然而这一个关键驯化株型转变的分子遗传机制仍然知之甚少。本项目利用大刍草和栽培玉米A661构建的F2：3群体在第1和第8染色体上分别定位了一个主效分蘖数QTL，分别解释17.0%和25.7%的表型变异。其中第8染色体QTL-tin8未见报道，而第一染色体QTL为已克隆的tb1基因。利用9905个由17个剩余杂合系自交而来的单株以及16个新开发的分子标记，tin8被精细定位于第8染色体一个862bp的片段内，序列分析表明这个片段不包含任何基因，在这个片段下游1.8kb的位置存在一个已知的开花期基因zcn8。进一步的关联分析和转基因实验表明zcn8基因为tin8的目标基因。为了探索这两个主效的QTL tb1和tin8是否有互作，构建覆盖了这两位点的四个近等基因系。利用这四个NIL系对两个位点的互作关系进行分析，结果表明tb1和tin8之间存在极显著的互作。接着利用这四个近等基因系进行了分蘖的RNA-seq分析。结果表明共有1169个差异表达基因依赖于tin8和tin8-tb1互作。在已报道68个水稻分蘖基因和2个玉米分蘖基因中，有13个分蘖基因存在于这1169个差异表达基因里。这13个共同差异表达的分蘖基因包括与激素相关的Hox4，Iaa6和D14基因、叶绿素合成的Pgl10和Ygl8基因、两个转录因子Gt1和Tru1。为了研究tin8如何调控这些关键的基因，进行瞬时LUC表达实验及qRT-PCR实验，结果显示tin8可通过tb1互作来直接抑制GT1、Tru1和D14的表达。由此获得这样的一个tin8基因调控网络：tin8调控多个包括生长素途径的Iaa6、赤霉素途径Hox4、独角金内酯途径的D14、叶绿素合成途径的Pgl10和Ygl8基因以及两个转录因子GT1、Tru1基因，特别地tin8可与tb1互作直接抑制分蘖抑制基因GT1、Tru1和D14的表达，进而促进了玉米分蘖的形成，最终导致玉米分蘖数增加。通过本项目的实施，深入地解析了主效QTL-tin8调控玉米分蘖的分子遗传机制，为玉米乃至其他作物株型的改良提供理论基础和技术支撑。