玉米籽粒相关性状关键基因挖掘及其生物学功能分析

Discovery, Cloning and characterization of kernel traits related genes are the precondition for clarifying their related genetic network and molecular design of high yield breeding in maize. In this study, various genetic populations, such as nested-association mapping (NAM) population, near-isogenic introgression lines, deprived segregation populations, and association mapping population will be involved. And based on present platform, key genes of kernel related traits, mainly about the traits of kernel size and kernel number per ear, will be discovered, cloned, and characterized by genome-wide association study of high density SNP markers, joint-linkage analysis of NAM population, map-based cloning, RNA sequencing analysis, bioinformatics analysis, comparative genomics analysis, association analysis, characterization analysis of candidate gene, and transgenic function confirmation, which supports on the clarifying of genetic regulated network for kernel related traits and high yield breeding for maize in our country.

玉米籽粒性状关键基因的发掘和生物学功能分析，是解析玉米产量性状形成遗传调控网络以及开展高产分子设计育种的基础。本项目在现有研究工作基础上，围绕挖掘控制籽粒性状关键基因这一目标，利用NAM群体、近等导入系、次级分离群体、关联分析群体等不同类型群体为材料，采取高密度SNP标记的全基因组扫描、NAM群体联合作图、主效QTL的图位克隆、转录组测序分析、生物信息学分析、比较基因组学分析、候选基因的关联分析、候选基因基本生物学特征分析、转基因验证等多种技术手段，进行玉米籽粒性状关键基因的克隆，并明确其分子调控机理和生物学功能，为玉米产量及籽粒形成遗传网络的解析，以及我国玉米高产品种培育提供理论支撑和技术支持。

玉米籽粒性状关键基因的发掘和生物学功能分析，是解析玉米产量性状形成遗传调控网络以及开展高产分子设计育种的基础。本项目围绕挖掘控制籽粒性状关键基因这一目标，采取NAM群体联合作图、全基因组关联分析、图位克隆、转录组测序分析、生物信息学分析、比较基因组学分析、候选基因关联分析、转基因功能验证等多种策略，进行了玉米籽粒性状主效遗传区段挖掘和关键基因的克隆与研究。取得主要结果如下：.1、利用GBS测序技术手段，完成了中美两个玉米NAM群体（共7000个RILs）的高密度分子标记基因型鉴定，构建了高密度遗传图谱。通过中美NAM群体的联合连锁分析，针对百粒重、粒长、粒宽、粒厚、穗行数、行粒数等籽粒大小和数目相关性状，分别定位到22和34个、23和22个、29和31个、19和19个、27和41个及16和7个主效遗传区段。同时，基于中美NAM群体亲本灌浆关键期籽粒的转录组测序分析，挖掘基因表达区SNP位点55万个，并通过全基因组关联分析，在中国和美国NAM群体中分别检测到113个和172个籽粒大小显著关联位点。为解析玉米籽粒相关性状遗传结构、主效遗传区段和候选基因位点提供了重要的基础信息与支撑。.2、在玉米籽粒性状QTL定位研究的基础上，通过分子标记辅助选择构建了针对不同主效位点的多个高代回交群体；同时，通过国际合作，引进了一批近等基因系材料。采取图位克隆和关联分析相结合的策略，完成了玉米籽粒形状主效位点qKM4.08的候选基因挖掘与转基因功能验证，并精细定位籽粒大小主效位点qGW4.05、qKL1.07和qKW7.02，及穗行数主效位点qkrnw4 和qKRN5.04。.3、挑选143份在籽粒大小上存在显著差异的多样性种质材料，开展了玉米灌浆关键期籽粒（授粉后15天）的转录组测序分析，在基因组范围内分别检测到53个百粒重、36个粒宽和63个粒长显著关联位点。同时，借助共表达分析，检测到与籽粒大小显著相关的共表达模块，为玉米籽粒大小遗传调控网络的解析和预测体系的建立奠定了扎实的工作基础。