玉米节根夹角遗传结构剖析及其关键基因的克隆

In maize deeper rooting, which is mainly determined by crown root angles, plays an essential role in nitrogen and water acquisition from soil. However, few study on the genetic architecture of crown root angles has been performed, and the underlying mechanism remains to be elucidated. In our preliminary work, a major QTL (qRA1-1) for crown root angle is identified by joint QTL mapping and association analysis. In this study we aim to identify the major QTL for crown root angle using two bi-parental segregating populations and two association populations phenotypically evaluated in multi-environment. Furthermore, the candidate gene for QTL qRA1-1 will be cloned by integrating fine-mapping and association mapping strategies, and the favorite alleles will identified by haplotype analysis, the corresponding gene sequencing and expression analysis. These findings will contribute to understanding the genetic basis of crown root angles, and the identified genes and favorable alleles can be important genetic resources for developing maize cultivars tolerant to nitrogen and water deficiency.

根系在土壤中的深层分布可提高玉米对水分和氮素的吸收，而节根夹角是决定玉米根系深扎的关键性状。但是目前玉米节根夹角的遗传研究较少，其分子遗传机制尚不清楚，还未有相关QTL被精细定位和克隆的报道。申请者前期利用连锁和关联分析共同定位到控制玉米节根夹角的QTL（qRA1-1）。本项目拟在此基础上，利用两个连锁群体和两个关联群体，在多个环境条件下结合连锁和关联分析定位玉米节根夹角的QTL，剖析玉米节根夹角的遗传结构。随后构建次级分离群体对主效QTL（qRA1-1）进行精细定位，结合关联分析快速获得候选基因。对候选基因在骨干自交系及其衍生系中进行重测序，通过单倍型分析和基因差异表达分析，挖掘与节根夹角相关的优良等位变异并验证功能。本项目的开展将阐明玉米节根夹角的分子遗传机制，为玉米根系的遗传改良、玉米资源高效利用和高产潜力的挖掘提供理论依据和优良的基因与种质资源。

根系在土壤中的深层分布可提高玉米对水分和营养元素的吸收利用效率，而节根夹角和根长是决定玉米根系深扎的关键性状。本项目在玉米苗期的正常和干旱处理下，调查了RIL群体根系性状（节根夹角、直径、长度等）发现，各性状在正常和干旱条件下均呈现广泛的分离。QTL分析共计定位到的位点数是90个QTL，其中地上部检测到39个QTL位点，正常水分条件下QTL位点数为23个，干旱条件下QTL位点数为16个，解释表型变异率为5.96-14.28%；根系性状检测到51个QTL位点，正常条件下QTL位点数为31个，干旱条件下QTL位点数为20个，可解释的表型变异率为4.82-17.14%。在田间多个环境下，调查了RIL群体节根夹角、数目、直径，所有测得的性状均表现出显着的基因型-环境相互作用。针对夹角、数目、直径进行了单环境和多环境QTL分析。单环境分析共定位到46个QTL，大多数QTL解释的表型变异少于10％。多环境分析检测到了25个QTL，其中2个和1个QTL具有显着QTL和环境相互效应。以319份玉米自交系为材料，对主胚根长、总根长、根干重等18个苗期性状进行全基因组关联分析，共检测到79个显著SNP，单个位点可解释6.01 %-22.73 %的表型变异。基因注释，在显著SNP上下50 Kb范围内共检测并注释到539个基因。在二号染色体上定位到一个与主胚根长相关的位点，并确定ZmTDD1为候选基因。在自交系群体对ZmTDD1开展候选基因关联分析，共检测到6个变异位点与主胚根长显著关联，可以将自交系群体划分为4种单倍型，单倍型间主胚根长存在显著差异；ZmTDD1的基因表达量与主胚根长呈显著正相关，利用SNP453和Indel959划分单倍型，单倍型GT的主胚根长和表达量显著高于单倍型T-，SNP453和Indel959可能是该基因的功能位点；从玉米自交系B73中克隆ZmTDD1基因的全长cDNA序列，构建过表达载体，目前正在玉米中进行转化，为进一步探究ZmTDD1影响玉米根系伸长的分子机制创建超表达材料。研究结果明确了玉米根系构型的遗传机制，为玉米根系的遗传改良、玉米高效资源利用率和高产潜力的挖掘提供理论依据和优良的基因资源。通过本基金的资助，发表SCI收录论文6篇和1篇中文核心期刊，培养硕士研究生3名，ZmTDD1基因功能解析相关研究工作获国家自然科学基金面上项目资助。