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。

玉米株高和穗位高性状全基因组关联分析

适宜的株高和穗位高可提高植株的养分利用效率及抗倒伏性,对玉米增产和稳产具有重要意义。为揭示玉米株高和穗位高遗传机制,本研究以854份玉米自交系为关联群体,利用均匀分布于玉米10条染色体的2795个SNP标记对4个环境下玉米株高、穗位高以及穗位系数进行全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)。共定位到81个显著关联SNP位点(P<0.0001),其中与株高显著关联的SNP为35个,单个位点表型解释率为0.02%~6.23%;与穗位高显著关联SNP为31个,单个位点表型变异解释率为0.03%~3.06%;与穗位系数显著关联的SNP位点为24个,单个位点表型变异解释率为0.03%~6.64%。进一步鉴定出15个可在2个及以上环境共定位的稳定SNP,其中6个为本研究首次发现,9个位于前人定位QTL区间或/和关联SNP位点2 Mb范围内。在15个稳定SNP位点上下游各200kb的置信区间共发现83个功能注释基因,结合文献分析筛选出了每个位点最有可能的候选基因,这些候选基因主要参与激素合成与信号转导、糖类代谢、细胞分裂调控等途径。鉴定出6个主效SNP位点,并发现1个可同时调控株高、穗位高和穗位系数的一因多效位点。本研究可为分子标记辅助选择育种提供有效遗传位点,为精细定位和克隆株高与穗位高相关性状基因提供参考。

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。

玉米叶夹角性状的全基因组关联分析与关键位点优异等位变异挖掘

玉米叶夹角是冠层结构的重要组成之一,可直接影响光和CO_(2)在冠层的分布及群体的光能利用效率,从而影响玉米产量。为解析玉米叶夹角的遗传基础,挖掘与玉米叶夹角性状相关的SNP位点和候选基因,本研究利用854份玉米自交系作为关联群体,在5个环境下对玉米穗位上1叶(ULA1)、上2叶(ULA2)和上3叶(ULA3)的叶夹角性状进行测定和统计分析,并分别利用均匀分布于玉米基因组10条染色体的2795个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)标记进行全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)。基于Farm CPU算法,共检测到81个与叶夹角性状显著关联的SNP,其中与ULA1性状显著关联的SNP为26个,解释的表型变异率在0.03%~9.68%;与ULA2性状显著关联的SNP为27个,解释的表型变异率在0.06%~9.30%;与ULA3性状显著关联的SNP为28个,解释的表型变异率在0.01%~8.23%。进一步鉴定出17个可被重复检测到的高可信显著关联SNP,其中3个SNP关联区间为本研究首次报道, 14个SNP标记位于前人已定位QTL置信区间或/和已知叶夹角显著SNP标记1 Mb之内, 9个SNP标记可与不同节位叶夹角性状同时显著关联。鉴定出7个PVE> 5%的主效SNP,通过等位变异效应分析进一步挖掘出9份聚合7个主效位点优异等位变异、叶夹角性状显著降低的优异种质资源。在17个高可信显著SNP候选区间共鉴定出131个候选基因,其中1号染色体PZE-101039301标记下游70kb存在调控叶夹角的已知基因DRL1,其他候选基因均尚未验证其调控玉米叶夹角的功能。本研究采用GWAS策略所挖掘玉米叶夹角遗传位点和候选基因有助于揭示叶夹角的遗传机制,并为今后克隆玉米叶夹角调控基因提供理论指导,所鉴定优异等位变异和种质资源有助于利用分子标记辅助选择改良叶夹角性状和提高玉米产量。