玉米ZmHKT基因的多样性研究及其与玉米耐盐性状的关联分析

HKT是一类与植物耐盐性状密切相关的功能基因，其功能在多种作物中已得到证实，但在玉米中尚无相关报道。本研究收集了包括主要玉米血缘优势群代表材料的150份玉米自交系作为实验材料，研究玉米中HKT基因遗传多样性（单核苷酸多态性SNP、插入删除突变Indel、拷贝数量多样性CNV和存在/缺失多样性PAV）和表观遗传多样性（DNA甲基化修饰水平），同时对实验材料进行耐盐性鉴定，综合两方面数据进行玉米HKT基因与耐盐性状的关联分析，挖掘优异的ZmHKT基因，并验证其生物功能。本研究既可解析玉米HKT基因重要结构域/位点和挖掘优异等位基因；又可通过探讨HKT基因遗传多样性与表观遗传多样性对其耐盐功能的影响，将表观遗传因素引入关联分析，建立新的关联分析模式；还可筛选出耐盐玉米材料，用于耐盐玉米品种的遗传改良。本研究密切联系玉米生产实际，研究结果将能够应用于玉米的分子设计育种，具有实际意义。

土壤盐化已经成为影响农业生产的全球性问题。HKT基因家族已经在许多作物中被证明可以影响作物的耐盐性。本研究的主要目标是通过评价不同玉米材料的耐盐性，分析ZmHKT1;5基因的多样性，进而研究其与耐盐性状的相关性。.首先，我们利用亲缘系数分析方法和AFLP方法，分别对已知谱系和未知谱系的玉米候选材料进行了聚类分析。综合分析结果，在保证遗传背景多样性丰富的前提下，最终挑选出66份玉米材料作为本研究的供实材料。随后，对这些材料进行了盐胁迫后的表型鉴定，按照5个耐盐性等级对材料进行了划分。.其次，利用生物信息学方法获得了玉米的ZmHKT1;5基因的序列全长，并对其基因结构和蛋白质结构进行了分析。以此为基础，对基因序列进行了多样性分析，发现了共 61个 SNPs 位点和12 InDels 位点。其中编码区上的 4个 InDels 位点和32个SNPs 位点可最终影响蛋白序列。根据这些多态性位点将供实玉米材料划分为12个单倍型。.在研究序列多样性的同时也对ZmHKT1;5转录水平差异进行了研究。利用DGE技术对玉米盐胁迫后的转录谱进行了初步分析，确认了ZmHKT1;5参与了盐胁迫应答。在此基础上，对不同玉米材料中的ZmHKT1;5基因在盐胁迫和非胁迫条件下的转录进行了分析，发现了不同材料间存在显著的差异。虽然在非胁迫条件下基因的转录水平相差很大，但在胁迫后大多数耐盐性较强的玉米材料ZmHKT1;5基因转录都出现了明显的上调。DGE转录分析中还同时发现了大量参与玉米盐胁迫的转录因子和功能基因，Pathway分析显示赤霉素代谢途径也参与了玉米的耐盐响应。.结合表型鉴定结果、序列分析结果、单倍型分析结果和转录分析结果，利用关联分析，发现ZmHKT1;5基因中以转录起始位点为原点，第134（A/G）和第511（A/G）位点与盐胁迫后的相对含水量存在关联性。在供实玉米材料中，根据这两个位点的差异可以划分出3个单倍型，其中单倍型（134G，511G）中包含了耐盐性较强的玉米材料，郑58、昌7-2、吉853等。.最后，我们克隆了含有134G/511G位点的ZmHKT1;5等位基因，通过在烟草中过表达该基因，发现转基因材料在盐胁迫下种子萌发、植株生长、抗氧化性等几个方面均有显著的增强。证明该基因可以显著地提高受体材料的耐盐性。