玉米穗粒数和粒重的调控网络解析

Kernel number (KN) and kernel weight (KW) are two important components of grain yield per ear of maize, and are also two complex quantitative traits. In the project, we'll elucidate number of loci for the KN and KW and effects of major loci using genome-wide association study and linkage analysis, to dissect the genetic architecture of KN and KW in maize. Furthermore, we'll analyze the biological functions and acting mechanisms of three kernel number-associated loci, KRN4, ZmEL3 and UB3, and establish genetic networks of the three genes in the regulation of kernel number at W22 and Ye478 genetic background. Moreover, we'll analyze the biological functions and acting mechanisms of four kernel weight-associated loci, mn8, O11, O2 and PBF, and establish genetic networks of the four genes in the regulation of kernel weight at W22 and Ye478 genetic background. The outcomes produced from the project will expand our understanding on the genetic architecture of KN and KW, and provide the available genes for genetic improvement of KN and KW in maize.

穗粒数和粒重是玉米单穗产量的组成因子。本项目针对穗粒数和粒重两个复杂的产量相关性状，结合全基因组关联分析和连锁分析，初步阐明控制玉米穗粒数和粒重遗传位点数目、主效位点及其效应。针对KRN4、ZmEL3、UB3三个穗粒数主效位点，解析基因功能和调控途径。针对mn8, O11, O2, PBF四个粒重相关基因，解析基因功能和调控途径。分别在W22和Ye478背景下，探索KRN4、ZmEL3、UB3三个基因调控玉米穗粒数的遗传互作网络，以及mn8, O11, O2, PBF四个基因调控玉米粒重的遗传互作网络。项目研究结果将为玉米穗粒数和粒重的遗传改良提供理论依据和基因资源。

在项目执行期间，我们使用多套遗传群体开展连锁作图和关联分析，鉴定到了98个粒重相关基因、76 个穗粒数相关QTL和463个穗粒数相关变异位点，分析了这些位点的遗传作用方式，为认识玉米穗粒数和粒重的遗传学基础提供了较全面数据，也为穗粒数和粒重的遗传改良提供了可靠的选择靶点。鉴定并克隆3个玉米穗粒数相关基因(ZmEL3, KRN4,GIF1)并解析了其生物学功能，深入阐析了基因间区KRN4通过招募多个蛋白因子（OBF1、OBF4、UB2)形成转录复合体与UB3启动子空间互作调控UB3表达和重要性状穗行数的分子机理，为基因间区调控重要性状数量变异提供了一个实例。构建了一条以UB3为中心，由UB2、OBF1、OBF4、GIF1和GRFs等基因参与的玉米花序分支的调控途径。深入研究了O11、ZmbZIP22、ZmFL3和Dek37在调控玉米籽粒胚乳发育和营养代谢中的功能，探明了O11、ZmbZIP22与O2和PBF的调控关系，构建了O11、 O2、PBF和 ZmbZIP22多基因调控玉米籽粒营养代谢和胚乳发育的分子途径。.项目执行期间，项目组成员一人获国家自然科学基金优秀青年基金，一人入选科技部2018年中青年科技创新领军人才，培养博士研究生7名，硕士研究生5名。发表学术论文9篇，其中第一和第二标注影响因子大于9的论文5篇。申请国家发明专利2项。