玉米LEAFY、RTCS和dbf1基因序列变异及其产量相关性状关联分析

摘要

玉米产量是一个复杂的数量性状，受诸多因素的影响。在玉米种质资源中蕴含着很多影响玉米产量相关性状基因的等位变异，鉴定出这些等位变异可以深入了解产量相关性状的分子遗传机制，开发与这些变异紧密关联的功能标记，从而通过分子标记选择的手段进行种质创新和遗传改良。基于连锁分析的QTL作图是研究复杂性状的有效手段，但其尚存一定的局限性。随着现代生物学的发展，一种基于连锁不平衡剖析复杂性状的方法—关联分析，开始应用于植物遗传学研究。它以连锁不平衡为基础鉴定某一群体内性状与遗传标记或候选基因之间的关系，是对分子育种中QTL分析的补充和提高。关联分析作为高分辨率的QTL发掘手段，能够把目标性状同基因的多样性结合起来进行分析，直接鉴定出与表型变异密切相关的功能等位变异，目前已成为复杂数量性状优异等位基因发掘的有效手段。 本研究从玉米种质资源库中筛选出变异丰富的优良玉米自交系构成试验群体，基于NimbleGen目标序列捕获平台技术，对基因LEAFY、RTCS和dbf1进行了目标序列重测序，鉴定出目的基因在我国优异玉米自交系中的单倍型和核苷酸多态位点，阐述了这些基因在优良玉米自交系中的变异频率。在此基础上，结合产量相关性状的鉴定数据，采用候选基因关联分析方法，筛选出与产量相关的优异等位变异位点。主要研究结果如下: 驯化选择是植物在适应新环境和改变生存要求的过程中，对重要农艺性状进行遗传改良的人工选择。为研究玉米人工驯化基因及其序列变异，为新一代分子育种提供有价值的遗传信息。本研究选取了拟南芥中LEAFY基因在玉米中两个拷贝的直系同源基因ZFL1和ZFL2。通过基因目标序列定点捕获和重测序，获得了62个优良玉米自交系基因ZFL1和ZFL2的DNA全长序列，进行了LEAFY基因序列多态性与单倍型分析。在ZFL1和ZFL2基因中，我们分别获得了118和110个多态性变异位点。尽管大部分变异发生在非编码区，但基因CDS区的多态性仍将ZFL1分为16个单倍型，编码16个不同的蛋白，将ZFL2分成编码8种不同蛋白的18个单倍型。自交系黄早四及其衍生系在基因ZFL1的CDS序列位点上受到了极显著的驯化选择，具有低的核苷酸多态性以及单倍型多态性。而ZFL2的CDS序列位点在瑞德群体的进化过程中受到选择。基因ZFL1序列位点至少经历了17次重组事件，而ZFL2基因位点至少发生了16次。对基因ZFL1和ZFL2编码区的多态性位点与产量相关性状进行关联分析，结果表明，两个基因的编码区序列多样性较高，但LD水平较低，分别检测到4个和3个与产量性状显著关联的多态性位点。 玉米RTCS基因编码在种子根和节根起始过程中起关键作用的LOB结构域蛋白。为研究RTCS基因的遗传多样性并挖掘优异等位变异，本研究筛选了73个来源广泛的优良玉米自交系，其中63个分别属5个温带杂种优势群，10个属于热带种质群。以B73的RTCS基因序列为模板，对这73个玉米自交系的RTCS基因进行目标区域定点捕获和重测序，获得基因全长序列。多态性分析表明:全序列共发现63个变异位点，包括44个SNP和19个InDel，大部分变异位于基因序列的非编码区和内含子区。在供试自交系群体中，编码区的序列变异位点将RTC基因分成14种单倍型，编码7种RTCS蛋白。多态位点的分析结果显示，在进化过程中该基因至少经历了6次重组事件。通过关联分析，在基因RTCS编码区检测到1个InDel和2个SNP多态性位点与产量相关性状显著关联:InDel与轴粗显著关联，贡献率10.91％;2个SNP分别与雄分枝数和出籽率显著关联，贡献率分别为6.132％和7.259％。中性检测表明，只有在P杂种优势群中该基因经历了负向选择。 玉米dbf1基因在干旱胁迫下的编码产物与DIP1蛋白相结合，调控ABA响应基因rab17的表达，从而提高耐旱性。为研究玉米dbf1基因的序列多态性，本研究以B73的dbf1基因组序列为模板，对104个玉米自交系的dbf1基因进行了测序。多态性分析表明，在全长为2118bp的序列中发现了48个SNP和12个InDel。尽管大部分变异位点集中在非编码区，但编码区的1个InDel和3个非同义突变位点的变异可以产生氨基酸序列改变。玉米dbf1基因的全长序列和编码区序列的变异位点可以分别将该基因划分成33和11种单倍型，并且编码7种蛋白质。在供试材料中，dbf1基因至少经历了9次重组，中性检测表明该基因的进化没有偏离中性选择。dbf1基因编码区的InDel与穗粒数显著关联(p＜0.05)，对穗粒数的贡献率是7.159％。研究结果将为基于db1基因开发功能标记提供信息。

目录

摘要

第1章 关联分析及其在玉米遗传育种中的研究进展

1．1 玉米复杂性状的研究现状和对策

1．2 关联分析

1．2．1 关联分析的理论

1．2．2 影响连锁不平衡的因素和LD的衰减

1．2．3 关联分析的特点

1．2．4 关联分析的策略

1．3 关联分析在玉米遗传育种中的应用

1．3．1 基于全基因组扫描的关联分析

1．3．2 基于候选基因的关联分析

1．4 关联分析在玉米应用中存在的问题及策略

1．5 关联分析在玉米应用中前景和展望

参考文献

第2章 玉米LEAFY基因序列变异及其与产量相关性状的关联分析

2．1．材料与方法

2．1．1 试验材料和田间试验设计

2．1．2 产量相关性状的测定

2．1．3 DNA提取以及LEAFY基因的测序

2．1．4 序列分析

2．1．5 群体遗传结构分析

2．1．6 基于候选基因的关联分析

2．2 结果分析

2．2．1 玉米LEAFY基因的核苷酸序列变异

2．2．2 核苷酸多态性以及杂种优势群中的选择

2．2．3 玉米LEAFY基因的单倍体型分析

2．2．4 玉米LEAFY基因的遗传重组

2．3 产量相关性状的统计分析

2．4 玉米LEAFY基因多态性位点的连锁不平衡分析

2．5 玉米LEAFY基因编码区多态性位点与产量相关性状的关联分析

2．6 讨论与结论

参考文献

第3章 玉米RTCS基因序列变异及其与产量相关性状的关联分析

3．1 材料与方法

3．1．1 试验材料和田间试验设计

3．1．2 产量相关性状的测定

3．1．3 DNA的提取和RTCS基因重测序

3．1．4 序列分析

3．1．5 群体遗传结构分析

3．1．6 基于候选基因的关联分析

3．2 结果分析

3．2．1 玉米RTCS基因核苷酸序列变异

3．2．2 每个杂种优势群的核苷酸多样性和选择

3．2．3 玉米RTCS基因的单倍型分析

3．2．4 玉米RTCS基因的遗传重组

3．3 产量相关性状的统计分析

3．4 玉米RTCS基因多态性位点的连锁不平衡分析

3．5 玉米RTCS基因编码区多态性位点与产量相关性状的关联分析

3．6 结论与讨论

参考文献

第4章 玉米dbf1基因序列变异及其与产量相关性状的关联分析

4．1 材料和方法

4．1．1 试验材料

4．1．2 产量相关性状的测定

4．1．3 DNA提取和dbf1基因测序

4．1．4 数据分析

4．1．5 LD结构分析

4．1．6 基于候选基因的关联分析

4．2 结果与分析

4．2．1 核苷酸序列变异

4．2．2 玉米dbf1基因的单倍型分析

4．2．3 玉米dbf1基因的遗传重组

4．2．4 玉米dbf1基因序列变异的中性检测

4．3 产量相关性状的统计分析

4．4 玉米dbf1基因多态性位点的连锁不平衡和关联分析

4．5 讨论

参考文献

附表

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

缩略词表

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