玉米对烟嘧磺隆抗性基因的精细定位及候选基因克隆

Nicosulfuron has good control effect on the grasses and broadleaf weeds in maize, so it is largest applied in maize fields. But currently, some maize cultivars are found to be susceptible to nicosulfuron, which influence the maize production severely. In order to control the weeds more safety and efficacy, fine mapping of nicosulfuron resistance gene in maize has important theoretical and practical significance. The fine mapping research is based on nicosulfuron resistant inbred line HB09, nicosulfuron susceptible inbred line HB39 and the F2 population, applied the RAD-Seq technology to discover the single nucleotide polymorphism(SNP) markers, analyzed their relationship with phenotypes, and combined the SNP markers and the differentially expressed genes acquired the RNA-Seq technology. The research can elucidate the nicosulfuron resistance gene regulation mechanism in maize, and can provide fundamental basis for clone of functional genes owned proprietary intellectual property right. It can also provide new thought for the herbicide resistant functional genomics research in other crops.

烟嘧磺隆对玉米田的恶性禾本科及阔叶杂草有较好的防效，因而被作为玉米田除草剂的当家品种在生产上大面积推广应用。但近年来，生产上不断发现其对多个玉米栽培品种产生药害，严重影响玉米的产量。因此，为更加安全高效的进行玉米田杂草的化学防除，进行玉米体内烟嘧磺隆抗性基因的精细定位，具有重要的理论与生产实践意义。本研究拟以抗烟嘧磺隆玉米自交系HB09、敏感型玉米自交系HB39及其杂交所获得的F2代群体为试验材料，利用新一代简化基因组测序技术（RAD-Seq）进行单核苷酸多态SNP标记的挖掘，通过与表型关联分析，结合已经完成的转录组测序（RNA-Seq）所获得的SNP标记和差异表达候选基因分析，对烟嘧磺隆抗性基因进行精细定位，从而阐明玉米对烟嘧磺隆抗性性状的基因调控机制，为克隆具有自主知识产权的除草剂抗性功能基因提供理论基础，同时为其他作物抗除草剂功能基因组研究提供思路。

烟嘧磺隆是当前玉米田应用面积最大的苗后茎叶处理除草剂，但不同品种玉米对烟嘧磺隆的敏感性存在明显差异。本研究通过室内生物测定结合田间小区试验筛选得到两个对烟嘧磺隆敏感的玉米自交系HB39和HB41，以及两个抗烟嘧磺隆的玉米自交系HB05和HB09。遗传分析表明，玉米对烟嘧磺隆的抗性性状由一对显性细胞核基因控制。为了精确快速定位玉米对烟嘧磺隆的抗性基因，本研究分别构建了两组独立的F2分离群体，其中A群体的父、母本分别为HB09和HB41，B群体的父、母本分别为HB05和HB39。利用集群分离分析法结合二代转录组测序技术，最终将该基因分别定位于玉米5号染色体的1.1-15.3 Mb和0.5-18.2 Mb的区间内，共同区域为14.2Mb。进一步的分析表明，在定位区间内分别鉴定得到2,355和2682个SNP位点，其中相同的SNP位点有581个，并且定位区间内存在43和119个差异表达基因，包含18个相同的基因。对基因的功能注释结果表明一个编码细胞色素P450的基因CYP81A9可能为玉米对烟嘧磺隆抗性形成的候选基因。该基因的序列分析结果表明，抗烟嘧磺隆玉米体内该基因编码的氨基酸序列完全一致，而在烟嘧磺隆敏感的玉米体内存在2个共同的缺失突变，推测该缺失突变可能导致玉米对烟嘧磺隆敏感性的形成。荧光定量PCR分析结果表明，在烟嘧磺隆胁迫下抗性玉米体内该基因的表达量显著高于敏感玉米。本研究将为玉米对磺酰脲类除草剂抗性/敏感性的形成机制提供理论依据。