玉米籽粒淀粉含量全基因组关联分析和候选基因预测

玉米是重要的粮食作物,其籽粒重量的70%来自于淀粉。淀粉不仅是人类及其他动物的主要能量来源,同时也是化工等行业的重要原料。本研究利用711份玉米自交系作为关联群体,对2个环境下玉米籽粒湿基淀粉含量和干基淀粉含量进行统计分析,结合覆盖玉米全基因组的2799个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)标记,通过FarmCPU模型对玉米籽粒淀粉含量性状开展全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS),共关联到67个显著SNP位点,其中23个高可信度显著SNP位点可在多个环境重复检测到。3个高可信度SNP标记位点为本研究首次发现与玉米籽粒淀粉含量相关,其余20个SNP标记位于前人已定位QTL(quantitative trait locus)置信区间或/和已报道与籽粒淀粉含量显著相关SNP标记1 Mb之内。进一步通过基因功能注释、基因本体论(gene ontology,GO)分析及籽粒胚乳基因表达分析,在23个高可信度显著SNP位点上下游各200 kb候选区间共挖掘45个重要候选基因,涉及淀粉生物合成与代谢、碳水化合物代谢、糖代谢、激素代谢等途径,同时检测到2个已报道调控玉米籽粒淀粉含量的基因Ae1和Pin1。通过等位变异效应分析鉴定出9个主效SNP位点及其优异等位变异。本研究为深入解析玉米籽粒淀粉含量遗传机制提供了新的信息,为加速培育高产、优质玉米新品种提供重要基因资源。

玉米雌穗产量相关性状全基因组关联分析与候选基因鉴定

玉米雌穗产量相关性状直接影响玉米最终产量,解析其遗传机制可为玉米高产提供有益指导。本研究以733份玉米自交系作为关联群体,在2个环境下随机区组种植,调查穗行数(KRN)、穗长(EL)和穗粗(ED)3个产量相关性状,利用MaizeSNP3072芯片对其进行基因分型,采用FarmCPU模型进行全基因组关联分析,分别鉴定出16、13和24个与3个性状显著关联的单核苷酸多态性位点(SNP),对表型变异的解释率分别为0.01%~7.08%、0.01%~5.34%和0.07%~4.34%。其中,分别有6、2和5个与3个性状存在显著关联的高可信度(high confidence,HC)SNP,而且有2个HC-SNP同时与KRN和ED显著相关,1个KRN HC-SNP和3个ED HC-SNP为本研究首次报道。在所鉴定HC-SNP上下游200 kb范围内筛选出33个重要候选基因,其中9号染色体SNP标记PZE-109003046所在基因PIN1a为控制生长素极性运输从而调控雌穗性状的已知基因。另一些候选基因编码不同转录因子,以及参与生长素、赤霉素和乙烯等激素介导的信号转导、DNA甲基化和蛋白磷酸化等翻译后修饰过程的蛋白,可能从不同方面调控雌穗相关性状。本研究所挖掘的11个HC-SNP与33个候选基因可以为进一步克隆雌穗性状功能基因、揭示相关分子调控机制以及利用分子标记辅助选择育种提供有益指导。

玉米籽粒淀粉含量遗传基础与调控机制

玉米是世界上种植面积最大、总产量最高的粮食作物,其籽粒重量的70%来自于淀粉。淀粉不仅是人类及其他动物的主要能量来源,同时也是化工等行业的重要原料。利用拟南芥、水稻等模式植物,淀粉合成相关基因克隆与功能研究已取得较多进展。近年来,随着玉米淀粉含量相关遗传学研究的深入开展,通过数量性状位点(quantitative trait locus mapping,QTL)定位、全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)及各种组学分析方法,发现了较多新的与淀粉含量相关的遗传位点及候选基因,但是尚缺乏归纳总结。综述了玉米籽粒淀粉合成与调控研究进展,对玉米籽粒淀粉含量相关的QTL和基因进行汇总和分析,通过构建一致性物理图谱,提炼玉米籽粒淀粉含量遗传定位热点区间,这为进一步解析玉米籽粒淀粉合成与代谢相关基因的功能提供参考,并为分子标记辅助育种提供遗传资源。