一个玉米ZmMs7复等位基因突变体的遗传分析与分子鉴定

我们在自然群体中发现了一个玉米雄性不育突变体(male sterile mutant),命名为ms20s1。该突变体雄花育性彻底丧失,花药干瘪皱缩,没有花粉形成。细胞学分析发现,与野生型相比,ms20s1突变体花药在S11期表现出明显的药室收缩,绒毡层细胞肿胀,小孢子破裂的表型,表明ms20s1突变体绒毡层细胞程序性死亡出现异常,且花粉败育。遗传分析表明该不育性状受单个隐性核基因控制。为克隆目标基因,以ms20s1为母本分别与不同自交系杂交构建F_(2)定位群体,利用靶向测序技术(GBTS)分析群体基因型,将基因定位于7号染色体124.95-128.47 Mb之间,进一步精细定位将该区间缩小到0.68 Mb。生物信息学分析发现,该区间存在一个已知基因ZmMs7。ZmMs7基因编码PHD-finger转录因子,在绒毡层发育和花粉外壁的形成过程中发挥重要作用。等位测验分析发现ms20s1为ZmMs7基因的等位突变体。基因测序结果表明ms20s1突变体在外显子区存在多处序列变异,与所报道的ZmMs7基因已知突变体ms7-6007和ms7gl的突变方式不同,证明ms20s1是一个新的ZmMs7基因等位突变体。突变体ms20s1的发现与鉴定为探讨玉米核雄性不育的分子机制以及育种应用提供了新的材料。

不同杂种优势群玉米自交系籽粒生育酚含量比较分析

生育酚是维生素E的主要活性成分,对人体的健康具有重要作用。本研究以190份玉米自交系为试验材料,研究不同杂种优势群玉米籽粒中生育酚含量的差异,并对结果进行多重比较,通过对海南、保定两点表型进行最优线性无偏估计。结果表明:玉米籽粒中α-生育酚含量范围是2.04~14.28μg/g;γ-生育酚含量最多,在自交系群体中的范围是3.50~28.73μg/g;δ-生育酚含量范围是0.51~3.01μg/g;总生育酚含量范围是8.17~33.46μg/g。通过遗传力分析发现,4种性状都表现出较高的遗传力(>0.67)。对不同杂种优势群自交系进行生育酚含量分析发现,除α-生育酚外其他性状生育酚含量在不同群体中均存在显著差异,4种性状中只有总生育酚含量受环境影响显著。其中Reid和旅大红骨群体的总生育酚和α-生育酚含量较高,旅大红骨群体的α-生育酚含量占比也较高,综合评价得出应重视Reid和旅大红骨群体作为提高玉米生育酚含量的种质资源,且本研究还推荐了各杂种优势群中总生育酚和α-生育酚含量较高的自交系。综上,本研究明确了不同杂种优势群中各种生育酚含量的差异,为进一步遗传学分析和组配高生育酚含量品种提供借鉴。

玉米CMS-S型不育系花药的转录组分析

为探索玉米CMS-S型雄性不育的分子机制,以不育系郑58cms-Q1261和保持系郑58单核晚期的花药为材料进行转录组分析,发现14565个差异表达基因(DEGs),其中7551个上调表达,7014个下调表达。GO富集分析显示这些DEGs主要富集在代谢过程、细胞和催化活性等方面。KEGG显著富集的主要代谢通路为碳代谢、淀粉和蔗糖代谢、氧化磷酸化、糖酵解/糖异生、氨基糖和核苷酸糖代谢等。选取12个DEGs进行qRT-PCR分析,结果与RNA-Seq数据一致,证明转录组数据的准确性。进一步对DEGs分析,发现2个果胶裂解酶超家族蛋白、5个果胶裂解酶类,3个热休克蛋白和2个bHLH转录因子与雄性不育有关。

玉米种质资源苞叶相关性状鉴定及综合评价

以220份玉米自交系为材料,通过两年两点田间试验对6个苞叶相关性状进行鉴定,利用遗传多样性分析、主成分分析、聚类分析和逐步回归分析进行苞叶性状的综合评价与评价指标筛选。结果表明:供试自交系苞叶相关性状的变异系数为13.41%~51.79%,遗传多样性指数为1.71~2.08,遗传变异丰富。主成分分析将6个性状转化为3个主成分,其累积贡献率为86.674%,第1主成分主要和苞叶干重、苞叶长度有关;第2主成分和第3主成分主要与苞叶包裹度和苞叶层数有关。220份自交系综合评价D值范围为0.161~0.728,其中101314的D值最高,7026B的D值最低。聚类分析将220份自交系划分为3类,其中第I类有62份自交系,其苞叶层数少、苞叶短且窄、干重和包裹度低。逐步回归分析表明苞叶长度、宽度和包裹度3个性状可作为玉米种质苞叶性状综合评价的关键指标。以上结果为适宜籽粒机收玉米种质资源的精准鉴定提供了理论参考。

不同杂种优势群玉米籽粒灌浆速率分析

【目的】研究不同杂种优势群玉米自交系籽粒灌浆速率的特性,筛选灌浆速率快的自交系,为高产玉米杂交种的选育提供借鉴。【方法】采用烘干法测定173份玉米自交系在授粉后10、20、30和40 d籽粒灌浆速率以及6个相关性状。应用SAS软件对灌浆速率在年际、自交系、取样时间、重复、年际×自交系、自交系×取样时间、年际×自交系×取样时间进行联合方差分析。应用SPSS软件对灌浆速率及其相关性状如10、20、30和40d苞叶的含水率、苞叶数、40 d穗轴含水率、穗轴长、穗轴粗及40 d籽粒含水率进行相关分析。利用均匀覆盖玉米全基因组的210对SSR标记对试验材料进行全基因组扫描,通过Structure V2.3.4软件分析其群体结构。对不同杂种优势群平均籽粒灌浆速率进行方差分析,并筛选出各个群中籽粒灌浆速率快的自交系。【结果】表型分析结果表明,在P=0.01水平上,籽粒灌浆速率在不同年际、自交系、取样时间、自交系×取样时间、年际×自交系×取样时间上存在极显著差异,而重复、年际×自交系间差异不显著。通过对不同自交系籽粒灌浆速率与其相关性状间相关分析,发现10 d籽粒的灌浆速率与20 d的灌浆速率在0.01水平上达到了极显著的正相关(0.515),与40 d的灌浆速率和籽粒的含水率在0.01水平上达到了极显著的负相关(-0.198,-0.228);20 d的籽粒灌浆速率只与40 d籽粒含水率在0.05水平上达到了显著的负相关;在授粉后30和40 d,籽粒的灌浆速率与40 d穗轴的含水率、穗轴粗以及40 d籽粒的含水率、30和40 d苞叶含水率在0.01水平上达到了极显著正相关,30 d籽粒的灌浆速率与10 d苞叶含水率达到了显著正相关;40 d籽粒的灌浆速率与20 d苞叶的含水率达到了显著地正相关。群体结构分析表明,参试自交系分成P、旅大红骨、瑞德、兰卡斯特和塘四平头5个杂种优势群。兰卡斯特和塘四平头群在0.05水平上没有显著差异;瑞德、P群和旅大红骨群间同样不存在显著差异(P=0.05);而兰卡斯特、塘四平头群与瑞德、P群、旅大红骨群间则存在显著差异。对各群内自交系间进行多重比较,各群内自交系间灌浆速率在0.05水平上差异均不显著。试验共筛选到33个灌浆速率高于0.8 g·100 grain-1·d-1的自交系,其中瑞德群有13个,P群、旅大红骨、兰卡斯特、塘四平头群分别有9、6、3、2个自交系。【结论】不同玉米自交系籽粒灌浆速率存在较大差异,杂种优势群间的灌浆速率变化节奏不同,P群、旅大红骨、瑞德的表现快-快-慢的节奏,兰卡斯特、塘四平头的表现快-慢-慢的节奏。

基于掖478导入系的玉米产量性状QTL鉴定

【目的】鉴定玉米产量相关性状基因位点及包含有利等位基因的导入系,为了解产量性状形成的遗传基础及针对玉米自交系产量性状的分子设计提供参考和依据。【方法】以QB80和Qi319为供体亲本,掖478为轮回亲本,采用回交结合定向选择,分别构建含有61和72个家系的基础导入系群体。通过2年4点田间试验,利用完备复合区间作图进行产量及其相关性状的QTL(quantitative trait locus,QTL)分析。【结果】4个环境下,在QB80为供体的导入系群体中,共检测到9个性状的49个QTL;在Qi319为供体的导入系群体中,检测到9个性状的42个QTL。在2个及以上环境中均检测到的QTL有16个。同一性状在不同环境下所检测的QTL定位在相同的染色体区域,不同性状的QTL也定位在相同或临近的染色体区域,形成多个QTL富集区。2个群体所检测的QTL位点具有较少的一致性,说明2个供体材料中含有不同的有利基因位点。同时,导入片段中含有利基因的导入系,其相关性状明显得以改良,这些导入系可用于QTL聚合以改良掖478的产量相关性状。【结论】QB80较Qi319与掖478间的遗传差异更大,能检测更多的产量性状QTL;2个导入系群体中含有优良等位基因的导入系可用于QTL聚合改良掖478;QTL富集区是为产量性状基因的克隆提供可供参考的重要染色体区域。

一个玉米细胞质雄性不育系的鉴定及遗传分析

【目的】阐明新育成的雄性不育系农系928cms-Q1261的胞质类型、败育时期和遗传机制,为其育种应用提供依据。【方法】将不育系在不同年份、不同地点种植,鉴定育性表现,通过测交、姊妹交、反交对不育性的遗传进行分析,利用特异引物进行PCR扩增鉴定胞质类型,通过石蜡切片法在光学显微镜下观察小孢子发育过程。【结果】农系928cms-Q1261雄穗无花药外露,花粉败育彻底,不育性表现稳定;质不育基因来自自交系Q1261,为S型;核不育基因来自农系928,由1对隐性基因控制;小孢子从单核晚期开始自溶,成熟期完全降解;自交系郑58能保持其不育性。【结论】农系928cms-Q1261属于S型不育胞质,是一种无花粉型的细胞质雄性不育系,其恢复系广泛。

玉米近缘种大刍草(Zea luxurians)光周期敏感性与育种利用

【目的】探索大刍草短日照敏感苗龄和最佳日照时数,使其与栽培玉米花期相遇,通过杂交导入有利性状进行玉米品种改良与种质资源创新。【方法】设置苗龄和日照时数两个处理,以自然光照为对照,研究不同短日照处理后不同苗龄大刍草的生长发育情况;自制酶液,测定各处理的过氧化物酶(POD)活性,并对其同工酶进行电泳分析;利用诱导开花的大刍草与玉米自交系授粉杂交、回交并自交选育新自交系。【结果】19—26 d是大刍草能否接受诱导的临界苗龄,苗龄(5—47 d)越大诱导效果越好;9 h是诱导生殖生长的最佳日照时数;各日照时数处理的POD活性随苗龄的增大呈现一定的规律性变化,但不能直接反映大刍草生长发育状况;a、b、c、d四条POD酶带是大刍草处于营养生长阶段的标记,e、f、g三条POD酶带的出现表明进入生殖生长阶段,POD酶的相对含量主导着大刍草的生长发育方向;采用40—47 d苗龄每日9 h短日照处理的大刍草与玉米掖478、综31花期相遇,通过远缘杂交育成NX3153等玉米自交系。【结论】在中国北方可以通过短日照处理诱导大刍草幼苗提前开花,与普通玉米花期相遇,通过远缘杂交实现基因导入,创新玉米种质。

Mutator诱导的玉米白化突变体插入位点的遗传分析及代谢途径的构建

【目的】利用Mutator(Mu)诱变群体获得、验证叶色白化突变体的Mu因子插入位点;解析玉米叶色变异相关基因及其代谢网络。【方法】以含有活性MuDR转座子的W22∷Mu为父本,与玉米自交系综31(Z31)杂交产生的M2和M3家系群体为材料,经表型性状的遗传分析和Mu插入位点的分离获得白化突变体,经生物信息学方法解析白化突变体产生的相关基因,同时构建产生白化突变代谢网络。【结果】对870个M2家系的16000余单株和M3种植的36个家系近700单株进行考察,获得了遗传稳定的白化突变体41株。经Mu-TAIL-PCR分析获得35条Mu因子插入序列;对靶位点序列分析,获得的14个靶位点可能与叶绿素合成及光合作用有关;利用其中6个靶位点构建了5条玉米叶色突变产生白化的叶绿素代谢网络途径。【结论】初步证实了Mu转座子插入的27个靶位点与叶色白化突变体的关联;建立了6个靶位点的玉米叶色突变产生白化的叶绿素代谢网络途径。

玉米籽粒性状、品质性状和种子萌发特性的粒位效应

玉米雌穗小花无论是自然授粉还是人工同步授粉,都存在雌穗籽粒发育的粒位效应。本研究以5个玉米自交系和5个杂交种为试验材料,分析不同粒位对籽粒性状、品质性状以及发芽特性的影响。结果表明,同一品种的不同粒位间在百粒重等籽粒性状上存在显著差异,而各粒位的籽粒干物质含量和萌发特性上无显著差异。

不同种植密度下玉米茎秆纤维性状和抗倒性相关分析

以290份遗传多样性丰富的自交系为材料,研究不同种植密度下茎秆抗推力和纤维品质性状与茎秆抗倒性之间的关系;对不同杂种优势群的抗推力和纤维素含量进行多重比较,并筛选茎秆抗推力和纤维品质性状优良的自交系。结果表明:不同种植密度和不同自交系间的抗推力的显著性差异均达到显著水平。抗推力与纤维素含量在高密度和低密度条件下均呈极显著正相关关系。多重比较结果显示,高密度条件下的纤维素含量在不同类群间没有显著性差异,高密度和低密度条件下的抗推力和低密度条件下的纤维素含量存在类群间的显著性差异。不同杂种优势群中,抗推力和纤维素含量在两个密度下均表现稳定优良的自交系,瑞德群分别包括4个和3个,兰卡斯特分别包括1个和5个,P群分别包括2个和2个,旅大红骨分别包括2个和1个,塘四平头分别包括2个和1个。

玉米种质资源子粒容重和品质性状差异性分析

以290份遗传多样性丰富的玉米自交系为研究材料,探究子粒容重和营养品质的关系,对不同杂种优势群的玉米子粒容重进行多重比较,筛选各杂种优势群中容重较高的自交系。研究结果表明:不同自交系的容重差异达到极显著水平,子粒容重与脂肪含量、淀粉含量分别呈极显著、显著正相关关系,与水分含量和赖氨酸含量呈极显著负相关关系,与蛋白质含量呈显著负相关关系。通径分析表明,脂肪含量、淀粉含量、蛋白质含量、赖氨酸含量和水分含量对容重的直接作用系数分别为0.2821、0.1289、-0.0558、-0.1825和-0.3376。P群、旅大红骨、唐四平头群与兰卡斯特的子粒容重在0.05显著性水平上有统计学意义。另外,瑞德群中高容重自交系包括W222、掖8112等,兰卡斯特中高容重自交系包括W64a、P167、吉63等,P群中高容重自交系包括黄昌b、R136、陕89等,旅大红骨中高容重自交系包括农系5678、Lo415、B100等,唐四平头中高容重自交系包括黄昌a、D33A、浚926等。

低植酸玉米自交系的筛选及其遗传分析

【目的】筛选获得低植酸玉米自交系,研究低植酸性状的遗传规律,为低植酸玉米杂交种的选育提供依据。【方法】通过钼酸铵显色法对100份玉米自交系进行测定,将筛选得到的低植酸自交系鲁原92与已知低植酸突变体Lpa/lpa241、Lpa/Lpa241和齐319进行杂交,分析低植酸性状的遗传;并用钼酸铵显色法和植酸含量国标测定法对6个不同来源的齐319、鲁原92及其杂交种进行植酸含量比较分析,同时通过发芽试验对齐319、齐319×Lpa241/lpa241、鲁原92×Lpa241/lpa241、鲁原92×齐319苗期表现进行鉴定分析。【结果】钼酸铵显色法显示,鲁原92的无机磷含量达到0.93μg.mg-1水平,初步确定属于低植酸自交系;其低植酸性状受隐性单基因控制,可能与lpa241等位;齐319在植酸性状上表现杂合性,存在苗期纯合致死现象;齐319×Lpa241/lpa241、鲁原92×Lpa241/lpa241、鲁原92×齐319 F2苗期纯合致死比例相近;不同来源的同一自交系间植酸含量存在显著差异。【结论】筛选得到低植酸自交系1个,分析其低植酸性状为隐性单基因控制,且与lpa241等位。

粒重对玉米自交系种子品质性状和活力的影响

为探讨玉米自交系种子粒重对其品质性状和活力的影响,以81个玉米自交系的种子为试验材料,按照粒重分为5级,分别对其4个品质性状指标及电导率、发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数等指标进行分析。结果表明,不同粒重的玉米自交系种子发芽前活力呈显著差异,发芽后差异不显著;蛋白质、脂肪和淀粉含量却存在显著差异,赖氨酸的含量差异不显著。

玉米自交系成熟期籽粒含水相关性状综合评价

玉米成熟期籽粒含水量是推广玉米机械化粒收的前提条件。本研究以100份玉米自交系为试验材料,对14个与含水量紧密相关的性状进行测定,采用多元分析方法综合评价玉米种质资源的含水量。结果表明,14个性状间具有一定的相关性。主成分分析的结果表明,14个性状转换成6个主成分因子,反映了原始数据信息量的72.899%。聚类分析的结果表明,基于综合评价值(D值),100份玉米自交系被分为五大类,分别包含4、27、30、18、21份自交系。判别分析的结果表明,98份玉米自交系被正确判别,判对概率为98%,表明聚类分析的结果是比较可靠的。进一步利用岭回归方法筛选出苞叶层数、穗长、穗行数、百粒重等4个性状,建立了一套玉米自交系含水量评价模型。在100份玉米自交系中,以D 88,W 966,Hai 014,Zheng 32等21份自交系的含水量最低。

不同杂种优势群玉米籽粒百粒质量差异性分析

鉴评和筛选不同杂种优势群玉米百粒质量性状优异的玉米自交系,为育成高产玉米品种提供借鉴。研究材料为313份玉米自交系,利用包含玉米全部基因组的40个SSR核心标记对杂种优势群体进行划分,通过测定籽粒百粒质量性状,对来自各个杂种优势群的玉米籽粒百粒质量进行多重比较分析,筛选不同杂种优势群中百粒质量高的自交系。结果表明,P群、旅大红骨、塘四平头、瑞德互相的百粒质量之间在0.05水平上差异均不显著;P群、旅大红骨群、塘四平头群、瑞德群等4个杂种优势群与兰卡斯特的玉米籽粒百粒质量在0.05水平上差异显著。P群的高百粒质量自交系包括遵90110、E200、R31、78599、8701等;旅大红骨群的高百粒质量自交系包括中741、关17-1、L473、天77、吉846等;兰卡斯特群的高百粒质量自交系包括CT52C、Ay3566、Va26、Mo24W和Mo17;塘四平头群的高百粒质量自交系包括昌D、武126、D619、中黄64、20837等;瑞德群的高百粒质量自交系包括邢230、Maxa、d140、SS99、苏75等。

玉米种质资源的抗倒伏性评价及鉴定指标筛选

倒伏是影响玉米高产稳产的主要问题之一。本研究以181份玉米自交系为试验材料,对22个与抗倒伏性紧密相关的性状进行测定,采用相关性分析、主成分分析、聚类分析、逐步判别分析和岭回归分析等方法,综合评价玉米自交系的抗倒伏性。相关性分析的结果表明,22个性状间存在不同程度的相关性。主成分分析的结果表明,前7个主成分代表了181份玉米自交系的22个性状74.460%的信息,其贡献率分别为25.700%、12.369%、9.782%、8.159%、7.782%、5.490%和5.177%。聚类分析的结果表明,当遗传距离为3.5时,181份玉米自交系被聚为4大类,第Ⅰ类群有35份自交系、第Ⅱ类群有47份自交系、第Ⅲ类群有49份自交系、第Ⅳ类群有50份自交系。逐步判别分析的结果表明,175份玉米自交系被正确判别,判对概率为96.69%;6份玉米自交系被误判,误判率为3.31%,这说明聚类分析的结果是准确可靠的。进一步利用岭回归方法筛选出半纤维素含量、穿刺强度、第3节间长度、第3节间直径、穗位高和维管束总面积6个性状,建立了可靠的玉米自交系抗倒伏性评价回归模型。在181份玉米自交系中,以AHU24、e220、7026B等35份自交系的抗倒伏能力最强。本研究结果为玉米抗倒伏种质资源的遗传改良和组配抗倒伏杂交种提供借鉴。

玉米穗部性状及其一般配合力的关联分析

穗部性状是影响玉米产量的重要性状,一般配合力是评价玉米自交系利用价值的重要指标。为解析穗部性状及其一般配合力的遗传基础,本研究对248份玉米自交系组成的自然群体和以其中100份自交系为母本按照NCⅡ遗传交配设计与4个测验种(Mo17、昌7-2、E28和郑58)组配的400份F1杂交组合的穗部性状进行研究,并利用分布于全基因组的83057个SNP标记进行穗部性状及其一般配合力的关联分析。结果表明,穗长、穗粗2个穗部性状基因型间、环境间差异达极显著水平,其广义遗传率分别为81.22%和87.70%。母本间、父本间及不同杂交组合间穗长、穗粗差异均达极显著水平,在基因型方差中特殊配合力贡献率较大。利用2年2点4个环境下的数据分别进行关联分析,检测到34个性状SNP关联,利用BLUP值检测到7个性状SNP关联。这些性状SNP关联可解释的表型变异为0.01%~19.42%,其中有5个性状SNP关联的表型贡献率大于10%,未检测到穗部性状本身与一般配合力性状的相同SNP位点。基于该群体的LD衰减距离在显著关联SNP位点上下游各120 kb范围内进行候选基因搜索,共发现158个候选基因,推测可能的候选基因涉及泛素代谢相关基因(GRMZM2G360374、GRMZM2G049568、GRMZM2G178120),β半乳糖苷酶(GRMZM2G178106),丝氨酸苏氨酸蛋白激酶(GRMZM2G127050),赖氨酸和组氨酸特异性转运体(GRMZM2G116004)。研究结果为解析玉米穗长和穗粗及其一般配合力的遗传基础和分子辅助选择育种提供了参考。

不同杂种优势群玉米子粒脱水速率分析

采用烘干法测定170份玉米自交系的子粒的脱水速率及其相关性状,利用覆盖玉米全基因组的210对SSR标记对试验材料进行全基因组扫描,通过Structure V2.3.4软件揭示其群体结构。对不同杂种优势群平均子粒脱水速率进行方差分析,并筛选出各个类群中子粒脱水速率快的自交系。结果表明:子粒脱水速率在不同自交系间存在显著差异,与穗轴和子粒的含水率等性状间存在显著相关性。试验共筛选到子粒脱水速率大于1%的自交系20个;授粉后40 d子粒含水率低于21%的自交系10个。参试自交系分成P、旅大红骨、瑞德、兰卡斯特和唐四平头5个杂种优势群;授粉后40 d子粒脱水速率依次是瑞德群0.92%、兰卡斯特群0.85%、旅大红骨群0.82%、混合群0.80%、P群0.76%、唐四平头群0.56%。本文旨在通过研究不同杂种优势群玉米自交系子粒脱水速率的特性,筛选子粒脱水速率快的自交系,为选育适应机械化作业的玉米杂交种提供借鉴。

低温胁迫对不同玉米种子萌发的影响

以不同生态区推广的郑单958等8个杂交种及其亲本自交系为供试材料,在5℃、10℃、15℃温度下进行发芽试验,25℃为试验对照,研究低温胁迫对不同玉米种子萌发和生长的影响。结果显示,随着温度的升高,各种材料的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数都会提高。由温度敏感系数推断出:杂交种京农科728耐寒性较好的材料对温度不敏感;农单476、农单145、郑单958、农单154、农单116对温度中度敏感。亲本自交系农系1109、农系1266、郑58和昌7-2对温度高度敏感,耐寒性较差;其余自交系对温度中度敏感。