玉米落粒性QTL的定位及落粒候选基因ZmSh1-1.3的克隆

摘要

自玉米6，000-10，000年前在北美洲由墨西哥一年生大刍草被驯化以来，就伴随人类的生活轨迹和发展延续至今，随着哥伦布的环球旅行而传播到世界各大洲，为人类的生活和生产带来颠覆性的变化。玉米在进化中经历了驯化和改良，在这两个瓶颈阶段玉米基因组分别发生了较大的改变。经过近500年的发展，玉米已成为人类的主要粮食作物之一，其不落粒性对早期人类获得更多的食物有着非常重要的意义，该性状在人类祖先对玉米的驯化初期就已完成。目前在水稻、高粱、玉米和大麦等作物中已定位的有13个落粒基因，部分基因的作用机理已很清晰，其中水稻、高粱和玉米的落粒性基因shattering1（SH1）都是属于YABBY基因家族。YABBY基因家族在玉米、拟南芥和烟草中是影响植物叶片、花序等器官侧生组织发育的一类基因，可使叶片和花序等变窄。
　　本研究主要内容包括：⑴通过两年共五个不同环境的试验，对本实验室TM群体的191个lines，1282个SNP进行连锁分析，发现在第一染色体有两个多个环境定位到的QTL，第二染色体上有一个多个环境定位到的QTL存在，另外在第四、第五、第六、第七和第十染色体上也分别有单个环境定位到的QTL存在。⑵在对13个已定位的落粒基因于玉米基因组中的同源基因的分析中发现，在第一染色体的两个QTL区域分别找到了与水稻和高粱SH1同源的两个基因ZmSh1-1.2和ZmSh1-1.3，其中ZmSh1-1.3与SH1的蛋白序列相似度更高，因此选作候选基因进行后续分析。⑶对ZmSh1-1.3基因在玉米和大刍草亲本中重测序发现第二外显子、第三外显子分别有小片段的插入缺失，第三外显子还有影响蛋白编码的非同义突变，另外在3'UTR区域发现有1009 bp的插入缺失。重测序发现，外显子区域的突变造成了基因功能结构域的改变，其中第二外显子的9 bp插入缺失在120份大刍草材料（大刍草基因型是杂合的，共获得211条大刍草序列）中仅有8个材料含有该9bp的插入，其余均是缺失，而在64份玉米自交系材料中全部都是插入，暗示该位点可能是驯化的选择位点。⑷对新构建的B73×TEO(Z.parviglumis) BC1F1和MO17×TEO(Z.parviglumis)BC1F1两个群体的落粒性表型和候选基因ZmSh1-1.3中第二个外显子9bp的基因型做ANOVA分析，但统计结果不显著，有可能是群体背景不同造成的差异，也可能该位点为非功能位点。⑸对候选基因ZmSh1-1.3做HKA检测，Tajima's D检测和DNA多态性分析等中性检测分析，证实了该基因的5' UTR和exon2区段在玉米进化中核苷酸多态性发生了显著变化，受到了选择，而且是纯化选择。该研究结果说明ZmSh1-1.3是一个与玉米落粒性驯化有关的候选基因。

目录

声明

摘要

缩略语表

1 文献综述

1．1 玉米的进化史

1．1．1 玉米的祖先—大刍草

1．1．2 玉米的进化过程

1．1．3 已定位的玉米进化基因

1．2 玉米落粒性的研究

1．2．1 落粒性的解剖学机理

1．2．2 落粒性的基因作用机理

1．2．3 已定位到的禾本科单子叶植物中的落粒基因

1．2．4 YABBY的功能和作用机理

1．3 连锁分析的发展及应用

1．3．1 连锁分析的发展

1．3．2 连锁分析的应用

1．3．3 连锁分析的后续基因定位及分析方法

1．4 同源克隆的原理及应用

1．4．1 同源克隆的原理

1．4．2 同源克隆的方法

1．4．3 同源克隆的应用

1．4．4 候选基因的功能验证

1．5 本课题研究的目的和意义

2 材料和方法

2．1 实验材料

2．2 田间试验

2．3 实验方法

2．3．1 TM群体落粒性的性状调查和连锁分析

2．3．2 在玉米基因组中检索其他物种中已知落粒基因的同源基因

2．3．3 重测序比对玉米和TEO的序列差异

2．3．4 扩大群体检测exon 2处9 bp的插入缺失在玉米和TEO中的分离

2．3．5 对候选基因ZmSh1-1．3作中性检测

2．3．6 在两个BC1F1群体中验证基因功能

2．3．7 qRT-PCR检测候选基因在特定位置的表达

3 结果与分析

3．1 授粉后15天时发育小穗中RNA提取及反转录的质量检测

3．2 TM群体落粒表型数据及QTL定位分析

3．3 在玉米中查找已知落粒性基因的同源基因并选择候选基因

3．4 候选基因ZmSh1-1．3的重测序序列分析

3．5 检测ZmSh1-1．3在驯化中是否受到了选择

3．6 ZmSh1-1．2和ZmSh1-1．3在两亲本间的表达差异

4 讨论

4．1 玉米落粒性的QTL定位结果及同源基因分析

4．2 候选基因ZmSh1-1．3与玉米落粒性相关

4．3 候选基因ZmSh1-1．3的进化分析

参考文献

致谢