基于近等基因系的玉米“爆粒病”主效QTL图位克隆与分子机理研究

As a kind of common genetic disease in maize, the popped kernel disease tends to cause cracking and rotten kernel, which brings double lose of both yield and grain quality. In our preliminary work, using the segregation population from a near-isogenic line and its recurrent parent, a popped kernel disease related major QTL has been mapped to an interval of 4.4Mb. In this study, the target QTL will be fine mapped by the subsequent large scale segregation population. And the candidate gene that related to this disease will be discovered, cloned, and characterized by physiological and biochemical analysis, RNA sequencing analysis, and real-time PCR of candidate gene during different stages of popped kernel occurrence, as well as the bioinformatics analysis, association analysis, characterization analysis of candidate gene, and transgenic function confirmation, by which to disclose its molecular mechanism and also to support on the regulation relationship among different kernel tissues during grain filling in maize.

玉米“爆粒病”是一种常见遗传性病害，发病后籽粒开裂、霉烂，可造成产量和品质的双重损失。针对“爆粒病”性状，利用近等基因系为基础研究材料，目前已将一个主效位点成功定位至4.4Mb的遗传区段之内。本项目将在该工作基础之上，通过进一步构建针对主效遗传区段的大规模精细定位群体，实现玉米“爆粒病”主效QTL的精细定位。同时，借助发病过程中不同籽粒组织的生理生化分析、转录组分析、候选基因实时定量表达分析，及结合生物信息学分析、关联分析、候选基因基本生物学特征分析和转基因验证等技术手段，克隆“爆粒病”致病关键基因，明确其分子调控机理和生物学功能，并探讨玉米籽粒不同组织部位的协同发育关系，以期为解析玉米籽粒形成遗传调控网络提供参考和支持。

爆粒病是一种常见的玉米生理性病害，发病后籽粒开裂、霉烂，可造成产量和品质的双重损失。针对玉米籽粒爆裂性状，利用近等导入系为基础研究材料，通过构建大规模精细定位群体，开展爆粒病主效QTL的图位克隆。同时，借助细胞学分析、生理生化分析、代谢组分析、转录组分析、生物信息学分析，挖掘爆粒病相关的关键基因，从而为玉米籽粒爆裂病遗传基础解析提供参考和支撑。本项目主要结果如下： .（1）以高感爆粒病近等导入系1192A及其轮回亲本B73构建的F2:3群体为试验材料，在第7染色体定位到首个玉米爆粒病主效QTL，qkc7.03，该位点最大可解释35.92%的表型变异。通过构建大规模次级分离群体，最终将爆粒病主效位点qkc7.03精细定位至143.10 kb的区段之内，该染色体区段在参考基因组B73上只有Zm00001d021272和Zm00001d021273两个基因，但在供体亲本参考基因组上，两个基因全部发生了缺失，为重要玉米爆粒病候选基因。 .（2）以1192A和B73位试验材料，开展了籽粒爆裂时的细胞学和生理生化分析。结果发现，籽粒发生爆裂时1192A和B73的籽粒干物质积累量无显著差异，但1192A的鲜重在不同取样时期均显著高于B73，表明1192A的籽粒在发生爆裂时积累了更多的水分。细胞学观察发现，1192A籽粒的胚和胚乳发育明显滞后于轮回亲本，胚乳细胞中的淀粉粒积累较少，且籽粒中部种皮厚顶部种皮薄。可溶物代谢与淀粉合成受阻、较高的种子内部膨胀压力和中间厚顶部薄的种皮结构，可能是玉米籽粒发生爆裂的细胞学和生理生化基础。.（3）对1192A和B73授粉后不同时期籽粒的转录组进行分析，共检测到1199个差异表达基因，其中大部分差异表达基因在1192A中下调表达。GO功能富集分析发现，这些差异表达基因主要富集于营养库活性、花器官发育和糖基转移酶活性相关途径。同时发现，爆粒病主效位点qkc7.03区段内的候选基因Zm00001d021273在1192A和B73之间存在显著表达差异，且其表达严格定位于细胞核中，认为是爆粒病主效位点qkc7.03的重要候选基因。