玉米产量性状QTL定位与株型性状相关基因克隆

摘要

高产是玉米育种的永恒主题和方向。我国玉米育种和生产实践表明,选育和推广抗耐高密度逆境的高产玉米杂交种,是实现玉米增产的重要途径。健壮的根、茎、叶合理分布是玉米单株间竞争小、雌雄穗发育协调、结实性好的内在机制。而紧凑株型建成是当前群体大、结实好、耐密植玉米新品种单产增加的根本原因。玉米产量是其构成因素出籽率、籽粒深度、百粒重等共同作用的结果,这些因素既是决定产量的重要性状,也是玉米抗耐田间高密度群体逆境条件的重要指标。因此,研究玉米产量构成因素及株型建成相关性状的基因效应、分子遗传机理,对于定向遗传改良和优良基因聚合,制定玉米分子育种方案,以及抗耐高密度逆境的高产玉米新品种选育具有重要的理论和实践意义。
　　 本研究以玉米紧凑型自交系豫82和平展型自交系沈137为材料,通过构建F2:3家系群体对产量相关性状进行QTL定位及效应分析；利用同源克隆的方法分别克隆了调控水稻株型建成基因OsLIC及OsDwarf同源的玉米ZmLIC及ZmDwarf2基因；对玉米ZmLIC及ZmDwarf2基因进行了初步染色体定位以及功能推测；利用实时荧光定量PCR法研究了ZmLIC及ZmDwarf2基因的表达模式,分析了不同自交系不同发育时期各器官的表达情况,试图明确ZmLIC及ZmDwarf2基因之间的表达关系；构建了ZmLIC基因35S融合表达载体,并对ZmLIC基因进行了亚细胞定位研究；构建了ZmLIC基因的过量表达载体,通过农杆菌浸染花序法转化拟南芥,得到了转基因一代植株。
　　 主要研究结果如下:
　　 1.以豫82×沈137组配的229个F2单株为作图群体,构建了具有222个SSR标记的遗传连锁图谱,图谱总长度为1864.7cM,两标记间平均距离为8.40cM。采用复合区间作图法,对3个环境下F2:3家系产量相关性状表型值的均值进行了QTL定位分析,共检测到15个QTL；其中,控制出籽率、籽粒深度、百粒重的QTL分别为3个、3个和4个,它们的联合贡献率分别为35.5％、28.1％和39.0％。尤其是位于第1染色体上介于标记为umc1335与umc2236之间控制出籽率的QTLqSP1b和介于标记umc1508与umc2235之间控制籽粒深度的QTL qKD1,分别解释18.9％和9.2％的表型变异,第9染色体上控制百粒重的qKW9b具有较大的贡献率和效应值。
　　 2.利用同源克隆等方法,首次成功克隆了玉米ZmLIC基因,GeneBank登录号为HQ619957,该基因cDNA序列全长1387bp,开放阅读框1206bp可编码401个氨基酸。BLAST分析发现,ZmLIC与水稻OsLIC位于同一进化分枝,其亲缘关系最近,同源性达74％；蛋白结构预测显示其蛋白含有OsLIC典型的CCCH-型锌指蛋白结合域,表明ZmLIC基因是OsLIC的同源基因。
　　 3.荧光定量PCR研究表明,豫82、沈137中ZmLIC基因表达趋势基本一致,为3—5叶期表达量低,6—12叶期处于表达高峰,13叶期后表达量又渐下调。其中,就不同器官而言,豫82、沈137叶枕处,基因ZmLIC表达量相对最低,其次为叶鞘。就不同自交系而言,除叶片以外的其它器官中,豫82的表达量较沈137高。
　　 4.成功构建了玉米ZmLIC基因的35S融合表达载体并通过基因枪轰击,使其在洋葱表皮瞬时表达,结果表明,ZmLIC基因具有质、核定位功能；构建了过量表达载体1391-Shen137-ZmLIC,且将该基因转入野生型拟南芥,对阳性候选转基因的PCR鉴定表明,已经成功将该基因转入拟南芥。
　　 5.利用同源克隆等方法,首次成功克隆了玉米ZmDwarf2基因,GeneBank登录号为HQ619956,该基因cDNA序列全长1501bp,开放阅读框1398bp可编码465个氨基酸。BLAST分析发现,ZmDwarf2与水稻OsDwarf位于同一进化分枝,其亲缘关系最近,同源性达84％;蛋白结构预测显示其蛋白含有OsDwarf典型的细胞色素P450加氧蛋白结合域,表明ZmDwarf2基因是OsDwarf的同源基因。
　　 6.实时荧光定量PCR研究表明,豫82、沈137中ZmDwarf2基因表达趋势基本一致,为3—4叶期表达量低,8-12叶期处于表达高峰,13叶期后表达量渐降。其中,就不同器官来说,豫82、沈137叶枕处,基因ZmDwarf2表达量相对最高,而叶鞘处,基因ZmDwarf2表达相对最低。就不同自交系而言,沈137在叶片、叶枕、叶鞘、茎尖等器官中表达量较豫82高。
　　 7.两基因间的表达关系研究表明,豫82各器官中基因ZmLIC表达量总体较基因ZmDwarf2高,而沈137叶枕中,基因ZmLIC表达量总体较基因ZmDwarf2低；基因ZmLIC对ZmDwarf2通过上位性互作协同调控BR生物合成进程,进而影响玉米植株形态建成。