玉米种子活力相关性状QTL定位与基因克隆

Seed vigor is one of the important agronomic traits affecting the seed quality in maize. High quality seed can significantly improve its development，increase the resistance, and then increase maize yield. Two sets of RILs and high-density SNP molecular marker linkage map were conducted, and the quantitative trait loci (QTLs) for seed vigor of different artificial aging conditions were mapped in our previous study. On this basis, average performance for seed vigor related morphological and physiological traits of recombinant inbred lines groups and their parents were evaluated in the field and under different temperature conditions, and seed vigor related QTLs of them were detected, too. With the help of meta-analysis, the QTLs were identified which expressed stability under different genetic backgrounds and environments. According to the reverse genetics, using the method of comparative genomics analysis and bioinformatics, candidate genes related with seed vigor were cloned and their functions were validated. The implementation of this project has laid a foundation for further fine mapping and marker assisted breeding, and has provided a reference for further understanding of the physiological and biochemical changes of seed vigor formation.

种子活力是影响玉米种子质量的重要农艺性状，高质量的种子可显著改善生长状况、增加抗逆性，进而增加产量。课题组构建了2套RILs和高密度SNP分子标记遗传连锁图谱，并对不同人工老化条件下的种子活力相关性状进行QTL定位。在此基础上，本研究拟通过评估重组自交系群体及其亲本于田间和不同温度条件下活力相关性状的平均表现，定位玉米种子活力相关形态及生理指标的QTL，借助元分析鉴定在不同遗传背景和环境条件下稳定表达的一致性QTL；根据反向遗传学的思路，利用比较基因组学分析和生物信息学方法克隆种子活力相关候选基因并验证功能。本项目的实施为进一步精细定位和分子标记辅助育种奠定基础，也为进一步理解种子活力形成所发生的生理生化变化过程提供参考。

种子活力是衡量种子质量和应用价值最重要的指标之一，活力高的种子发芽迅速整齐、幼苗均匀整齐、生长健壮，同时可以实现节约播种量，减少劳力投入，降低生产成本，提高农业生产效益。本项目分别以基于豫82×沈137和豫537A×沈137构建的2个RILs群体的420个家系为材料，利用SNP分子标记技术构建的高密度的分子遗传连锁图谱，采用复合区间作图法定位了发芽率（GP）、发芽势（GE）、发芽指数（GI）、活力指数（VI）、苗长（SL）、幼苗干重（SDW）、根干重（RDW）、超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性、丙二醛含量等玉米种子活力相关性状的QTL，共检测到75个QTLs，分别分布在玉米全基因组的10条染色体上，单个QTL的贡献率介于5.22％-12.10％。通过元分析方法将调控发芽率（GP）、发芽势（GE）、发芽指数（GI）、活力指数（VI）、苗长（SL）、幼苗干重（SDW）、根干重（RDW）等7个性状64个QTLs中的25个（39.1%）整合进6个mQTLs，分别分布在第3、5、7、10染色体上，每个mQTL平均包含4.17个QTLs，分别参与2～4个性状的调控，确定了位于6个mQTLs对应标记区间的35个候选基因，主要参与对种子萌发、氧化还原代谢途径、信号传导、逆境抵御等生物过程的调控。克隆了与水稻qLTG3-1基因同源的玉米ZmqLTG3-1基因，其编码蛋白与高粱、水稻的相似度分别为92%和88%，在胚中的表达量最高，其次是茎尖，在叶、根等器官中的表达量较低，所编码的产物被定位在细胞膜上，是一跨膜蛋白。通过转拟南芥进行功能初步验证表明ZmqLTG3-1基因对于抵抗高温、干旱、高盐等非生物胁迫发挥着重要作用。对豫537A和豫82的两个时期发芽特性的转录组学分析分别鉴定了3381 and 4560个差异表达基因，诸如bZIP, ERF, WRKY, MYB和 bHLH 转录因子家族参与发芽调控。以上QTL的确定、基因克隆以及差异表达基因的发掘有助于玉米育种实践中分子标记辅助选择种子活力相关性状，进而组配高活力的杂交组合。