玉米杂种优势QTL ERN1调控行粒数分子机理研究

Heterosis refers to a natural phenomenon whereby hybrid offspring of genetically diverse individuals out-perform their parents in multiple traits including yield, adaptability and resistances to biotic and abiotic stressors. Since the use of hybrids started in the 1930s, the yield of maize has steadily increased six-fold or more. Heterosis in maize has revolutionized its breeding and production. However, despite its importance, molecular mechanisms for heterosis are poorly explored. Based on the preliminary work which include generating, sequencing and recording the phenotypes of large F2 lines of hybrid maize cross and precisely identification of ear row number related QTL ERN1 by bioinformatics technology, this project aims to fully explore the molecular mechanism and regulatory network of the ERN1 which play roles in yield trait by means of gene editing, genetic transformation, yeast one/ two hybrid technology and so on. This project will be useful to explain the molecular mechanism about hybrid vigor and provide theoretical support for maize breeding.

杂种优势指不同遗传背景亲本杂交产生的后代在产量、生物或逆境胁迫的背景下适应性以及抗逆性等性状都比双亲优越的现象。从19世纪30年代起至今，在玉米育种中杂种优势的运用使得玉米的产量增加了六倍以上，为玉米育种与生产带来了革命性的变化。然而，尽管如此，对于杂种优势的分子机理目前了解还很少。本研究前期已经构建大规模玉米F2代杂交群体，对群体表型进行统计并对其基因组进行重测序，并结合特色的生物信息学技术精准定位影响杂种优势行粒数的QTL遗传位点ERN1，在此基础上，借助基因编辑、植物遗传转化、酵母单/双杂交等技术发掘ERN1的分子作用机制以及调控网络。本项目有利于阐述杂种优势分子机制并为玉米遗传育种提供理论支撑。

郑单958是由郑58与昌7-2杂交选育所获得的优质高产玉米品种，在中国广泛种植。前期通过构建郑58与昌7-2杂交F2代群体，并对群体的基因型和表型进行分析后发现在玉米7号染色体168Mb-170Mb区域存在一个同时调控玉米行粒数、叶片形态以及雄穗长度的QTL位点。通过对该位点的序列进行分析后发现，在昌7-2背景下，玉米基因组序列在基因ZmLNG1（Zm00001d022072）处有约6kb的片段缺失。通过玉米转基因实验证实，昌7-2背景下ZmLNG1羧基端序列的改变造成其蛋白功能缺失，并且过量表达有功能的ZmLNG1蛋白可影响包括叶片形态、行粒数、籽粒形态、雄穗长度等多方面的表型。进一步实验证实，ZmLNG1蛋白能够通过其蛋白羧基端与ZmTON1蛋白相结合，同时其氨基端能与OFP蛋白家族互作。进一步研究发现ZmLNG1可作为媒介将OFP蛋白招募到TPP蛋白复合体中，并通过改变OFP蛋白的磷酸化水平及亚细胞定位来影响OFP蛋白功能。本研究首次证实了基因ZmLNG1对玉米器官形态建成的调控作用，同时首次证实了ZmLNG1所参与的TPP蛋白复合体具有蛋白去磷酸化功能，并且该复合体作用的底物之一是OFP蛋白。本研究的发现为将来选育获得理想株型及粒型的玉米材料提供了一条新的思路及理论支持。