玉米开花期耐旱基因的鉴定及优异等位变异的挖掘

Drought stress is one of the most critical factors constraining corn production. Corn is particularly sensitive to drought stress at flowering stage. Drought stress results in serious loss of grain yield due to ear development defect. It has been a research hot spot to identify drought-tolerant genes by utilizing various maize germplasm. Recently, SNP markers were identified to be associated with drought tolerance through genome wide association analysis (GWAS). In this study, we aim to identify causal quantitative trait locus which confers drought tolerance at flowering stage combining GWAS with linkage mapping. A sequential QTL fine mapping strategy using recombinant-derived progeny will be conducted. The candidate gene will be predicted by its tissue-specific expression, drought stress response, transcriptome and metabolome analysis, and mutant evaluation. The elite allelic variation and haplotype will be identified through candidate gene-based association analysis. Functional molecular markers will be developed for marker assisted drought tolerant corn cultivar breeding and improvement. This study will be beneficial to reveal the drought tolerance mechanism at flowering stage and breeding for drought-tolerant maize cultivar.

干旱是玉米生产最主要的限制因素之一。玉米开花期对干旱胁迫反应尤为敏感，干旱导致玉米雌穗发育受到抑制，严重影响产量。充分利用玉米种质资源，挖掘玉米开花期耐旱基因已成为耐旱玉米品种培育的研究热点。项目组前期利用全基因组关联分析，鉴定到与玉米开花期耐旱显著相关的分子标记。本项目拟在此基础上，以雌穗生物量为主要研究性状，通过全基因组关联和连锁分析，联合定位玉米开花期耐旱QTL。通过重组个体后代测定开展耐旱QTL的精细定位，结合转录组、代谢组等生物组学分析，预测候选基因。探究候选基因组织表达特异性和干旱应答模式，鉴定突变体耐旱性，初步确定耐旱候选基因。通过候选基因关联分析挖掘功能变异位点和优异单倍型，开发功能分子标记。研究结果对于解析玉米开花期耐旱机制具有重要的科学意义和应用价值，为玉米耐旱品种的培育提供实验依据。

干旱是玉米生产最主要的限制因素之一。玉米开花期对干旱胁迫反应尤为敏感，干旱导致玉米雌穗发育受到抑制，严重影响产量。因而充分利用玉米种质资源，挖掘玉米开花期耐旱基因已成为耐旱玉米品种培育的研究热点。本项目收集了279个自交系组成的关联分析群体和121个家系组成的重组自交系群体，由高质量的SNP标记完成群体基因型鉴定。调查了田间正常灌溉和开花期干旱胁迫下2个群体散粉期、吐丝期、吐丝当天雌穗生物量和株高等性状。重要研究结果如下：.利用全基因组关联分析定位到与ASI、吐丝当天雌穗生物量、株高及其耐旱系数等性状相关的候选基因。其中5个耐旱候选基因Zm00001d029938、Zm00001d029937、Zm00001d011298, Zm00001d039319和Zm00001d020506与正常灌溉和干旱胁迫下ASI或雌穗生物量相关。Zm00001d013992在两年结果中均发现与干旱胁迫下雌穗生物量相关。通过单倍型分析，鉴定到上述基因优异单倍型及功能变异位点，为耐旱分子标记的开发奠定了基础。功能验证发现Zm00001d037381可能通过调控玉米株高等性状调控玉米耐旱性，进而影响单株产量。 .通过连锁分析定位到与雌穗生物量、ASI、株高及其耐旱系数相关的QTL 51个。其中，与ASI相关的QTL 9个，解释表型变异的10.8−29.8％，区间大小1.23−49.18 Mb；与雌穗生物量相关的QTL 12个，解释表型变异的8.5−30.4％，区间大小0.34−57.64 Mb；与株高相关的QTL 11个，解释表型变异的9.8−22.2％，区间大小0.54−17.36 Mb。其中位于2号染色体的主效QTL-qEBM2与正常灌溉、干旱条件下雌穗生物量以及耐旱系数三个性状相关，在两年环境下均可以稳定检测到，区间大小2.7 Mb，PVE>25%，预示该区域可能包含与玉米穗发育相关的基因，调控玉米开花期耐旱性。基于亲本黄早四和Mo17该区间的基因组序列信息，开发了3个indel标记，可以将RIL群体分为两种单倍型，分子标记目前正用于耐旱玉米分子遗传改良，以进一步验证标记功能。.本研究挖掘的耐旱候选基因及主效QTL为玉米开花期耐旱分子标记的开发及耐旱玉米遗传改良提供了遗传资源，但仍有待于进一步的功能验证及耐旱基因的精细定位。