基于近等基因系的一个玉米雄穗分支数主效QTL精细定位与候选基因研究

Tassel primary branch number (TPBN) is one of the most important factors, which could impact the formation of maize grain yield, indirectly. Our previous research showed that one QTL of Q35CN-NAM was found, supported by GWAS and linkage at the same time by integrating multiple populations together. It can explain 25.33% of TPBN variation. In this study, one larger scale separating population with near isogenic line was constructed by using Qi319 and Huangzaosi to be parents, another natural diverse panel including about 449 lines were both used as materials, relevant TPBN and introgression regions were analyzed accurately. Then, Q35CN-NAM would be fine mapped. Based on this, integrating bio-informatics analysis, comparative genomics analysis, together with gene expression analysis, the TPBN related candidate genes will be identified too. Finally, the functional mutants or specific haplotype of the candidate gene will be dissected based on an association panel that containing obvious TPBN variation. And these results will also can provide more better gene resources for the improving of maize breeding efficiently.

雄穗分支数是影响玉米产量的关键因子之一，也是玉米种质创新和品种选育过程中的重要目标性状。前期研究结果显示，雄穗分支数主效QTL Q35CN-NAM在多群体联合的关联和连锁分析中均被检测到，可解释雄穗分支数变异的25.33%。本项目拟用齐319与黄早四构建的近等基因系和包含449份多样性自交系的自然群体为基础材料，针对雄穗分支数性状，基于精准表型鉴定和导入区段分析，实现对Q35CN-NAM的精细定位。结合生物信息学、比较基因组学和表达谱等分析，鉴定出控制玉米雄穗分支数的关键候选基因。在此基础上，利用候选基因关联分析策略挖掘候选基因内存在的雄穗相关优势单倍型/SNP标记，并揭示相应的供体自交系，验证目标候选基因的生物学功能。本项目的研究结果将为解析玉米雄穗分支数变异的遗传机制提供更夯实的科学依据，也为高效玉米育种提供更多的优异基因资源。

玉米作为重要的粮食、饲料和能源作为，在社会发展和人类安全方面扮演者重要角色。雄穗发育事关玉米产量的形成，但过大的雄穗不仅需要耗费能量，而且还具有遮阴影响光合作用的不足。因此选育具有合适大小雄穗性状的玉米品种对于理想株型育种具有十分重要的意义。结题组前期利用双亲分离群体初步揭示了玉米雄穗分支数变异的遗传基础，规模化鉴定出一批控制玉米雄穗发育的关键QTL.。在前期雄穗分支数QTL初步定位的基础上，本项目选取遗传效应较大的一个主效QTL Q35CN-NAM为靶标，利用黄早四为轮回亲本，基于分子标记选择方法，构建一套目标QTL的次级分离群体，并对该群体的区段F2:3家系进行多点雄穗分支数的精准表型评价，对目标QTL进行基于GBS测序技术的高通量的基因型鉴定。结合表型和基因型鉴定结果，利用成组t检验方法，将目标QTL从最初的53Mb精细定位到0.20 Mb。继续以黄早四为轮回亲本，构建目标区段F2:3家系，基于区段捕获技术，结合该群体在不同环境下的雄穗分支数表型鉴定结果，进一步将该区段缩小到28 kb。在此基础上，结合生物信息学分析方法，筛选出1个候选基因Zm00001d040020，该基因编码甘露糖-6磷酸异构酶（Mannose-6-phosphate, M6P），其在雄穗13-18叶期间的表达量显著增加。同源比对发现，该基因与水稻中的s01g0127900基因高度同源，在能量传递中具有重要作用。结合公共突变体数据库信息，筛选出该基因的终止子突变体后代。对该基因的突变体分析发现，在该基因136 bp处存在一个SNP位点的突变，该碱基由C或G突变为T或C，提前形成终止子导致该基因不能正常表达。突变体单株的色氨酸、甘氨酸、天冬氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸和异亮氨酸显著减少，从而导致突变体植株的雄花不能正常发育。该研究结果可能为玉米雄花败育的深入解析提供一定的科学依据，同时也为人工创制雄花败育植株提供一定的科学支撑。