玉米开花期耐旱性的全基因组关联分析与连锁分析
干旱是限制农作物生长最关键的非生物逆境胁迫之一。玉米是世界上种植面积最广的粮食作物，对开花期干旱胁迫尤为敏感，导致严重的产量损失。干旱胁迫可以影响花丝的伸长速率，造成散粉-吐丝间隔期延长（Anthesis-SilkingInterval,ASI），ASI的延长导致雌雄花发育不同步，甚至空秆，从而大大降低产量。玉米耐旱性是一个受多基因调控的复杂性状，玉米耐旱的遗传基础和潜在的分子机制，尤其是开花期耐旱尚有待于进一步探索。本实验室前期收集了由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（RecombinantInbredLine,RIL）群体，由高质量的SNP标记完成群体基因型鉴定。本研究调查了田间正常灌溉（Wellwater,WW）和开花期干旱胁迫（Waterstress,WS）条件下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，联合全基因组关联分析（GenomeWideAssociationStudy,GWAS）和连锁定位，挖掘玉米开花期耐旱相关基因。主要研究结果如下： 表型数据分析结果表明，开花期干旱胁迫严重影响了玉米的生长及发育。分别造成自交系群体的ASI增加了23.09％，平均由4.33天（WW）延长至5.33天（WS）；雌穗生物量减少了17.44％，由1.42g（WS）减少至1.72g（WW）；株高降低了12.29%，由127.41cm（WW）降低至111.76cm（WS）。类似地，干旱胁迫导致RIL群体的ASI增加了33.49％，由4.36（WW）延长至5.82天（WS）；雌穗生物量减少了19.13％，由2.41（WW）减少至1.95（WS）；株高降低了14.65%，由106.07cm（WW）降低至90.53cm（WS）。在正常灌溉和干旱胁迫下，自交系群体株高与雌穗生物量和ASI正相关。RIL群体中，ASI、雌穗生物量、株高三者之间高度正相关。 利用正常灌溉和干旱胁迫下雌穗生物量、ASI、株高及其耐旱系数进行全基因组关联分析，通过混合线性模型控制群体结构和相对亲缘关系。定位到与ASI-WS、ASI-WW和ASI耐旱系数（WS-WW）显著相关(–logp＞5.0)的SNP17、48和6个，分别落于13、18和5个基因内；定位到与干旱胁迫和正常灌溉吐丝当天雌穗生物量，及吐丝当天雌穗生物量耐旱系数(WS/WW)显著相关(–logp＞5.0)的SNP49、23和17个，分别落于23、43和15个基因内。定位到与干旱胁迫和正常灌溉条件下株高，及株高耐旱系数（WS/WW）显著相关(–logp＞5.0)的SNP9、9和3个，分别落于7、6和3个基因内。其中5个耐旱候选基因分别编码ARABIDILLO1（Zm00001d029938）、糖蛋白（Zm00001d029937）、锌指家族蛋白（Zm00001d011298）,Tic22类家族蛋白（Zm00001d039319）和26S蛋白酶体调控亚基(Zm00001d020506)，与正常灌溉和干旱胁迫条件下ASI或雌穗生物量相关，推测这些基因可能参与调控正常灌溉和干旱胁迫下雌花穗的发育。其中1个耐旱候选基因编码磷酸吡哆醛依赖转移酶（Zm00001d013992），在两年试验中均与开花期干旱胁迫条件下雌穗生物量相关，推测氨基酸生物合成过程可能参与玉米开花期耐旱调控。 利用重组自交系群体进行连锁定位，在两年正常灌溉和开花期干旱胁迫下，定位到与雌穗生物量、ASI、株高及其耐旱系数相关的QTL（LOD＞2.5）51个。其中，与ASI相关的QTL9个，解释表型变异的10.83?29.84％，区间大小为1.23?49.18Mb；与雌穗生物量相关的QTL12个，解释表型变异的8.47?30.44％，区间大小为0.34?57.64Mb；与株高相关的QTL11个，解释表型变异的9.82?22.24％，区间大小为0.54?17.36Mb。位于第2、5、7号染色体与ASI和雌穗生物量的主效QTL，在两年环境中均可以稳定检测到。 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。
玉米;开花期;耐旱性;全基因组关联分析;连锁定位
中国农业科学院
博士
生物化学与分子生物学
赵军
2022
中文
S513
2023-07-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）