玉米株高性状发育的遗传调控网络解析

Maize is an important food crop in China, and the plant height closely related to the yield, which is an important agronomic traits controlled by multiple genes. Although maize height genes locus and QTL were obtained partially by height mutant and mapping cloning, the genetic regulatory networks of maize height trait development was still unknown. In this project, 510 combination of association analysis groups were constructed through incomplete diallel cross, using 80 maize inbred lines of different height and source in combination with the whole genome sequencing of SNP data. After 2 years 3-point identification of combined F1 height characters, taking advantage of new mixed linear model and large data processing technique for association analysis to get the key SNP sites, interaction effects and genetic structure of plant height; then constructed key SNP genetic interaction network. Meanwhile, taking advantage of the reported height-related genes and comparative genomics to screen functional genes associated with plant height traits development. Finally, integrated functional gene co-expression network and genetic interaction network to obtain important regulatory genes nodes, and to analyze maize height genetic regulatory networks. The project is innovative in the material and the genetic structure analysis method; its findings play an important role in enriching the genetic regulation theory of plant height development as well as breeding excellent plant type and new varieties with high-yielding.

玉米是我国重要的粮食作物，株高是多基因控制的重要株型性状, 与产量形成密切相关。目前虽然通过一些株高突变体定位和克隆得到部分玉米株高的基因位点和QTL，但对玉米株高发育的遗传调控网络仍不清楚。本项目利用不同来源和株高差异的80份玉米自交系及其全基因组测序SNP数据，通过不完全双列杂交构建510个组合的关联分析群体，经2年3点鉴定组合F1株高性状，利用新建的混合线性模型和大数据处理技术进行关联分析，获取影响株高发育的关键SNP位点、互作效应及遗传结构；构建关键SNP位点遗传互作网络，同时利用已报道的株高相关基因和比较基因组学筛选玉米株高性状发育相关的功能基因，并利用功能基因共表达网络与遗传互作网络整合，获得重要节点调控基因，解析玉米株高性状发育的遗传调控网络。该项目在研究材料和遗传结构分析方法上有创新, 其研究结果对丰富玉米株高发育的遗传调控理论, 选育优良株型和高产新品种具有重要作用。

株型是与玉米产量直接相关的重要农艺性状，而株高是影响株型的主要因素之一。因此，挖掘株高发育相关的关键基因、解析株高发育遗传调控网络可以为株型改良奠定基础。然而，玉米基因组中鉴定的与株高发育相关基因数目较少，并且调控株高发育的分子机制仍不清楚。本项目首先将已报道的与株高相关基因进行整合，在玉米中搜索到29基因，应用比较基因组学挖掘了玉米株高相关基因82个，发现这些基因参与不同的激素合成代谢途径。其次，课题组选取了具有不同株高性状（高H、中等M、低L）组合，利用高通量测序技术对发育过程的三个时期（拔节期、大喇叭口期、抽雄期）的茎秆分别进行转录组测序，利用加权基因共表达网络将转录组数据进行模块聚类，在全基因组范围内将不同株高表型和发育时期分别与基因表达量进行关联，得到一系列与株高相关的基因模块，说明玉米的株高受不同模块基因的调控。利用已报道的基因和差异基因中的转录因子构建共表达网络，从中挖掘出一系列与株高相关的候选基因，这些基因参与了不同的激素代谢通路，进一步验证了株高是受多种植物激素共同调控的。此外，本研究利用株高差异的87份玉米自交系及其SNP数据，通过不完全双列杂交构建573个杂交组合的关联分析群体，利用混合线性模型和开发的定位工具，检测了决定株高、叶长、叶宽和叶夹角性状发育的显著关联QTSs位点。结果表明在株高、叶夹角、叶宽和叶长中鉴定了41个关联位点，解释了51.86% ~79.92%的表型变异。其中株高中检测到的位点解释了65.71%的表型变异。在四个性状中，叶夹角（h_GE^2=46.48%）和叶长（h_GE^2=46.89%）基因型和环境互作较为显著，对环境较为敏感，叶宽（h_GE^2=15.66%）和株高（h_GE^2=13.75%）对环境相对较为稳定。进一步对鉴定的108个候选基因进行了注释和分析，发现这些基因与株高以及叶型性状发育有密切关系。本研究利用共线分析、关联分析以及共表达网络分析将获得的株高候选基因与已报道的株高相关基因互作整合，获得了重要节点调控基因，对选育优良株型和高产玉米新品种具有重要作用。