一个玉米花序发育突变体的鉴定与初步遗传分析

摘要

玉米(Zea mays L.)原产于墨西哥南部山区，由一种名为大刍草的物种驯化而来。七千多年前，当地土著居民开始对大刍草进行驯化，随后培育出了许多地方品种。育种家通过对地方品种的不断选育改良，培育出了许多玉米自交系。玉米在长期的驯化改良过程中与大刍草在形态上产生了巨大差异，造成两者表型巨大差异的根本原因在于，人类早期对大刍草有利遗传变异的选择与保留。本研究在玉米-大刍草杂交衍生的重组自交家系群体中，分离出了一个玉米花序发育异常的家系，我们命名为Ter1(Teosinte ear rank1)。以其近等基因系，玉米花序发育正常的材料为对照，我们命名为WT(Wild-type)。我们以Ter1和WT作为我们基础的研究材料。开展了Ter1和WT的形态学、细胞学、遗传学和转录组的初步研究，希望鉴定并解析控制该突变体的遗传位点和调控途径。主要研究结果如下:
　　1.Ter1的表型鉴定与扫描电子显微镜观察:我们发现Ter1和WT两者田间表型相似，在株高、穗位高、雄穗分枝和穗位叶宽等性状无显著差异，穗行数和穗位叶长表现存在极显著差异，同是观察到Ter1雌穗上有雄花分化，表明Ter1可能影响玉米雌性小花的性别分化。我们使用扫描电子显微镜观察发现，在Ter1雌穗发育过程中，小穗分生组织(Spikelet Meristem:SM)可以分化形成两个小花分生组织(Floralmeristem，FM)。但是，两个FMs的发育命运不相，其中一个FM发育正常，其雄蕊原基退化，雌蕊原基发育正常，另一个FM不能正常发育，反而雌蕊原基退化，雄蕊原基发育成花药。Ter1雌穗异常的分化，导致雌穗性别分化异常同时穗行数减少。
　　2.Ter1的遗传分析:我们使用玉米基因芯片对Ter1和WT进行遗传背景差异分析，通过构建Ter1与WT的F2分离群体，以玉米B73参考基因组V2版本序列为参照，在Ter1大刍草染色体导入区段内开发分子标记。我们首先通过单标记方差分析对Ter1进行初步遗传分析，找到3个与表型紧密相关的标记，其中2个标记位于一号染色体bin1.09，1个标记位于三号染色体bin3.03。我们命名一号染色体的遗传位点为Ter1-1，命名三号染色体的遗传位点为Ter1-2。随后，我们对一号染色体的遗传位点Ter1-1进行精细定位，最终将其锁定在约6MB的物理区间内，该区间在玉米参考基因组V2版本中总共有159个注释基因。
　　3.转录组分析:我们在解剖镜下将Ter1雌蕊中正常发育的FM和异常发育的FM分离，分别提取RNA进行转录组测序分析。两组织中共检测到755个差异表达基因(Differentially Rxpressed Genes，DEGs)，异常发育的FM同正常发育的FM相比，一些和花序发育直接相关的基因如ba1、bd1、ub3、ts2、gt1等表达量都有显著差异，同时对差异表达基因进行GO和KEGG功能富集。随后，我们利用转录组数据对定位区间内的差异表达基因进行分析，发现定位区段内只有4个基因的表达量存在显著差异。参照玉米参考基因组V4版本最新注释，对这4个基因的功能进行分析，其中一个基因注释为脂肪氧合酶编码基因，结合前人的研究报道，ts1编码一个脂肪氧合酶，可影响玉米FM的性别分化。因此我们推测，该基因为我们的候选基因，可能参与调控玉米的花序性别分化。

目录

声明

摘要

略语表

1．文献综述

1．1 玉米的起源

1．1．1 玉米的驯化改良

1．1．2 玉米驯l化的遗传基础与驯化相关基因

1．2 玉米花序发育与形态建成

1．2．1 玉米花序的形态建成

1．2．2 MADS-box基因家族与禾本科作物花序发育

1．2．4 玉米小花的性别分化

1．2．5 miRNAs对植物性别发育的调控

1．3 研究的目的与意义

2 材料和方法

2．1 研究材料

2．3．1 Ter1和WT雌花序取样

2．3．2 组织样品固定处理

2．4 遗传分析

2．4．1 群体材料与田间试验

2．4．2 基因型分析

2．4．4 Ter1的精细定位

2．5 转录组分析

2．5．1 转录组分析的取样

2．5．2 组织样品RNA的提取与质控

2．5．3 转录组测序和生物信息学分析

3．结果与分析

3．1 Ter1的表型观察

3．2 Ter1雌花序发育细胞学观察

3．2．2 Ter1雌花序发育进程的显微观察

3．3 Ter1的遗传分析

3．3．2 Ter1的连锁分析

3．3．3 Ter1-1的图位克隆

3．4 Ter1雌花序FM原基的转录组分析

3．4．1 Ter1雌花序FM原基取样与RNA质量检测

3．4．2 测序数据深度统计和比对分析

3．4．3 差异表达基因分析

3．4．4 差异表达基因GO富集分析

3．4．5 差异表达基因KEGG pathways注释和富集分析

3．4．6 候选基因生物信息学分析

4．讨论

4．1 Ter1的生物学功能

4．2 本研究的不足与后续工作

参考文献

附录

致谢