玉米染色体单片段代换系完善及苗期耐冷性全基因组关联分析

摘要

单片段代换系(SSSLs，single segment substitution1ines)是指供体材料在受体的遗传背景上只代换了一个片段且遗传相对稳定的品系。由于单片段代换系与亲本的染色体组成上唯一的区别仅存在于导入的片段上，所以其与亲本之间任何表型的差异只与导入的片段有关，因此，能够覆盖全基因组的一整套单片段代换系是复杂性状遗传研究的良好材料。
　　前期开展了利用耐冷性强的自交系黄早四作为受体亲本、以耐其他非生物逆境能力强的材料CML343为供体亲本的单片段代换系构建工作，本研究在前期工作基础上进一步通过对回交和自交的后代进行分子标记分析，筛选一套背景清晰、覆盖全基因组的代换系并对其进行初步评价，为抗逆性研究奠定基础。
　　苗期是玉米整个生长发育的重要时期，苗期遭受低温冷害会导致种子萌发受到影响，出苗率下降，阻碍幼苗的生长，使玉米的产量潜力受到很大影响。本研究以构建好的一套测交关联分析群体为材料，在人工气候箱中以冷害胁迫下的地上部分含水量、叶卷曲度、可溶性糖含量以及鲜重根茎比为指标对玉米苗期耐冷性进行全基因组关联分析，以期挖掘控制玉米耐冷相关性状的基因位点，为研究玉米耐冷性提供参考。主要结果如下:
　　1.在前期工作基础上，经1代回交及2代自交，将已有的67个BC6F2代换系完善至现有的59个BC7F4或BC8F4代换系。根据全基因组10条染色体上的201对SSR分子标记检测结果显示，这59个代换系的代换片段能够覆盖黄早四全基因组的79.1％，相对于之前的BC6F2代换系覆盖率基本保持不变。其中，代换系背景回复率平均在80％以上，最高背景回复率达98％，所有前景片段已达纯合。
　　2.利用338份测交关联分析群体对苗期耐冷进行关联分析。除了叶卷曲度与地上部分含水量之间呈现显著正相关之外，其他性状两两之间均呈负相关或显著负相关。对叶卷曲度、鲜重根茎比、可溶性糖含量及地上部分含水量进行全基因组关联分析，分别检测到3个、12个、4个和9个显著性位点(P＜9.0×10-6)。单个位点可以解释5.53％～9.06％的表型变异。
　　3.整个群体分为三个亚群（SS，NSS，TST三个亚群分别含有55，119和164个材料）。其中来源于温带材料（SS和NSS亚群）的苗期耐冷性要好于热带材料。在三个亚群内分别对四个苗期耐冷性指标进行了全基因组关联分析，分别检测到了2个、8个和1个显著关联位点(P＜1.8×10-6)，单个位点能够解释0.86％～13.93％的表型变异，其中有3个显著位点同时控制2个及以上耐冷相关性状。
　　4.对于4个与苗期耐冷相关的性状显著关联的位点上下各50kb范围内进行候选基因的预测，共搜索到24个（整个群体）和14个（亚群）候选基因。基于参考基因组信息，对候选基因进行功能分析，发现他们可以分为以下四类:转录因子与信号转导基因、离子转运、逆境有关代谢及糖代谢。其中，有15个基因在其他植物中已证实与抗逆有关。
　　5.对其中13个基因在低温条件下进行了表达分析，大部分基因的表达量均不同程度地受到低温影响，并且这些基因在杂种F1代或双亲之一的表达被诱导或保持不变。
　　本研究的实验结果证实，玉米苗期的耐冷性是受多基因控制的复杂数量性状，利用测交关联分析群体可以鉴定到一些与杂种优势有关的显著位点和候选基因，为杂种优势的利用提供参考。同时，单片段代换系的构建可为这些显著位点的精细定位和克隆提供材料基础。

目录

声明

摘要

缩略语表

1 前言

1．1 玉米耐冷鉴定指标

1．1．1 室内耐冷鉴定指标

1．1．2 田间耐冷鉴定指标

1．2 植物耐冷的生理和分子机理

1．3 玉米遗传研究作图方法和作图群体

1．4 玉米苗期耐冷研究进展

1．5 本研究的目的和意义

2 材料与方法

2．1 实验材料

2．2 单片段代换系的完善

2．3 代换系基因型的检测

2．4 苗期耐冷性全基因组关联分析

2．4．1 种子萌发

2．4．2 幼苗培养

2．4．3 低温处理

2．4．4 表型鉴定

2．5 基因型获取

2．6 数据分析

2．7 候选基因预测

2．8 候选基因表达量分析

3 结果与分析

3．1 玉米染色体单片段代换系的完善

3．1．1 亲本间SSR标记的筛选

3．1．2 SSSL中BC6F3／BC7F3(2015春)代换系的遗传评价

3．1．3 SSSL中BC7F4／BC8F4(2016春)代系的结构评价

3．1．4 小结

3．2 玉米苗期耐冷性全基因组关联分析

3．2．1 苗期耐冷性状表现

3．2．2 四个苗期耐冷相关性状问的相关性分析

3．3 全基因组关联分析

3．3．1 整个群体的全基因组耐冷性关联分析

3．3．2 亚群内的全基因组耐冷性关联分析

3．4 候选基因预测及功能归类

3．5 低温下候选基因表达量分析

4 讨论

4．1 单片段导入系群体的构建及在分析数量性状QTL中的作用

4．2 玉米耐冷全基因组关联分析预测候选基因

4．3 可溶性糖在植物耐冷中发挥的作用

4．4 植物耐冷性研究的前景展望

参考文献

附录

致谢