基于转录组测序的玉米耐旱调控网络分析

摘要

玉米（Zeamays L.）是世界范围最重要的粮食作物之一。而干旱是影响玉米生产的最主要胁迫因素之一。改良玉米的耐旱性，是解决这一问题的有效方法。在实验室的前期研究中，鉴定出两个耐旱性存在差异的玉米自交系H082183（耐旱自交系）和旅28（干旱敏感自交系），并发现这两个自交系在雄穗大小和叶夹角具有较大的差异。因此，对H082183和旅28构建F2∶3群体，结合高密度的SNP标记构建连锁图谱，定位控制这些性状的QTL。并且对H082183和旅28在大田不同水分处理下的叶片和根系进行小RNA测序，解析耐旱差异材料中miRNA介导的干旱响应调控网络。此外，本研究选取10份玉米自交系，通过转录组测序技术对不同水分处理下的叶片进行测序，通过差异表达分析和共表达网络分析等，鉴定出干旱响应基因以及与耐旱相关的基因共表达网络，挖掘耐旱关键基因。主要结果如下: 1.玉米雄穗大小和叶夹角的QTL定位。对雄穗大小和叶夹角具有显著差异的玉米自交系H082183和旅28构建包含213个家系的F2∶3群体，采用Maize56K SNP芯片对亲本和群体进行基因型鉴定，并使用改良的隐形马尔可夫模型(hidden Markov model，HMM)构建bin图谱和连锁图谱。该连锁图谱包含有1967个bin标记，长度为1495.79cM。QTL分析鉴定到6个控制叶夹角的QTL，7个控制雄穗分支数的QTL，10个控制雄穗干重的QTL。对效应最大的qTBN8区间内进行区域关联分析和选择信号扫描，结果发现在基因GRMZM5G873917的上游调控区域具有最显著的关联信号和最强烈的选择信号。 2.miRNA介导的玉米干旱调控网络分析。对玉米自交系H082183和旅28在大田环境下进行干旱和正常水分处理，使用小RNA测序方法对叶片和根系中的miRNA表达量进行分析，并结合mRNA测序和降解组测序结果，发现在H082183的叶片中miR164-MYB和miR164-NAC特异的响应干旱胁迫。而miR156-SPL在旅28的叶片和根系中以相反的调控模式响应干旱胁迫。对miRNA-mRNA的下游调控基因进行预测，发现在H082183的叶片中miR164-MYB和miR164-NAC的下游基因功能与胁迫响应相关，而旅28中miR156-SPL的下游基因功能与生长发育和光合代谢相关。并且H082183中miR164-MYB和miR164-NAC的表达量受到ABA的调控。 3.基于转录组测序的玉米干旱调控网络分析。在干旱和正常水分胁迫下，对10个玉米自交的叶片进行转录组测序，通过差异表达分析共检测到7278个干旱响应基因。通过WGCNA方法分别对于旱和正常水分处理下的样品构建基因共表达网络，结果发现在干旱处理下有5个基因共表达模块与叶片相对含水量显著相关。与玉米苗期耐旱性显示正相关的基因共表达网络中，有8个转录因子基因和11个蛋白激酶基因，其表达量与叶片相对含水量相关性较高，且具有较高的模块内关联度，是玉米耐旱的关键基因。