玉米百粒重主效QTL qhkw5-3 的分离和克隆

Yield and yield components are very important agronomic traits, and generally considered as complex traits controled by quantitive trait loci(QTL). Fine mapping and cloning of major QTL of maize yield and yield component traits are very important for breeding by design and continuous improvement of maize yield in the future. The application of single-segment substitution lines(SSSL) make it possible to divide QTL into single Mendel factors. Based on the previous study, a major QTL (qhkw5-3) of one-hundred kernel weight in maize was identified in the Bin5.06 region near the SSR marker umc1680 in the SSSL of Z22 (SSSL-Z22). Using the cross of SSSL-Z22×Zheng58, a secondary mapping populution, segregated only in the target chromosome segment, were constructed, to fine map the qhkw5-3 and devided it into kernel width, kernel length or kernel thickness, based on the method of linkage mapping and overlap mapping. The mapbased cloning and the genome sequencing will be employed to find the candidated gene of the one-hundred kernel weight.The functional markers will be designed based on the gene sequence,and the association analysis will be used to verify the gene function. These results can lay a good foundation for marker assisted selection of maize kernel size in the procedure of breeding by design.

精细定位和克隆有自主知识产权的玉米产量性状功能基因对于分子设计育种中基因资源的储备和进一步提高玉米单产有重要意义。本项目基于2年6个试验点利用染色体单片段代换系(SSSL)对玉米产量性状QTL鉴定的结果，筛选出稳定表达、基因效应大的玉米百粒重主效QTL qhkw5-3。qhkw5-3位于第5染色体SSR标记umc1680附近的代换片段上。以qhkw5-3对应的单片段代换系SSSL-Z22为试验材料，构建基因组仅在目标染色体区段(Bin5.06)分离的次级分离群体，基于F2对百粒重主效QTL qhkw5-3进行初步定位，基于BC1F1对其进行精细定位，并将其效应进一步分解为粒长、粒宽或粒厚简单性状；利用图位克隆方法克隆目标基因；开发基因内标记，在自交系群体内通过关联分析验证基因功能，为玉米籽粒大小的定向选择和分子设计育种奠定基础。

百粒重是玉米重要的产量构成因素之一，研究其遗传控制机制对于提高玉米产量具有重要的意义。本研究基于玉米单片段代换系Z22与郑58杂交构建的F2和F2:3分离群体，构建了玉米百粒重主效QTLqhkw5-3目标区域内高密度的分子标记连锁图谱，利用连锁分析的方法，将qhkw5-3定位在第5号染色体Bin5.06区域SSR分子标记SYM033-SYM108之间，其间的遗传距离为8.8cM，物理距离为4.44Mb，能解释17.10%的表型变异；粒宽QTLqkw5-3被定位在SSR分子标记SYM024-SYM129之间，其间的遗传距离为13.9cM，物理距离为7.28Mb，能解释29.91%的表型变异。进一步构建(Z22×郑58)×Z22的BC1F1大分离群体，利用目标基因两端的SSR分子标记SYM036和SYM119对14759粒BC1F1种子进行了分子标记基因型检测，筛选发生交换的籽粒。对其自交后代进行高密度分子标记检测、目标区域内不同标记基因型纯合体的筛选和表型鉴定，利用重叠群作图的方法和分离群体基因定位的方法将玉米百粒重主效QTLqhkw5-3进一步定位于SSR分子标记SYM081和SYM084之间，其间的物理距离为357.7kbp，包含10个候选基因，其中4个在籽粒中表达。对这些基因进行材料间序列比对、时空表达分析的结果表明，GRMZM2G376067是最重要的候选基因，暂命名为hkw5。来源于玉米自交系昌7-2的hkw5基因的CDS区域长1023bp，编码340个氨基酸；该蛋白的分子量为36.55kD，理论等电点为4.40；其中丝氨酸含量最高，为12.4%，其次为丙氨酸和苏氨酸，分别为9.7%、9.4%；该蛋白总体带负电荷，属于不稳定的亲水蛋白，没有发现被识别的保守结构域，无信号肽序列及跨膜结构；亚细胞定位显示该蛋白可能位于细胞核中。qRT-PCR结果显示，hkw5在籽粒中特异性表达，其在授粉后不同时期的籽粒中的表达趋势是Z22和昌7-2的基本一致，与郑58的明显不同。在Z22和昌7-2中，该基因的表达在授粉后15d达到最大，之后又出现了两个较小波峰；在郑58中，该基因的表达量一直较低，没有明显的波峰。这些结果为进一步研究该基因的功能标记和遗传调控网络奠定了基础。