甜糯玉米籽粒镉含量全基因组关联分析

发布时间：2020-06-19 07:27

【摘要】：重金属镉(Cd)作为毒性最强的重金属之一,在土壤中分布面积广、尤其是在湖南、湖北及成都平原等日趋严重;土壤Cd污染一方面造成粮食作物产量下降,另一方面食用含Cd的食品会导致患癌率上升,严重危害国家食品安全,给国家带来大量经济损失。甜糯玉米因其营养丰富、风味独特、口感上佳,深受人们的喜爱;随着生活水平的提高,人们对甜糯玉米需求越来越大,特别是在大中城市的需求越来越旺盛,发展包括甜糯玉米在内的都市农业已成为发展大中城市郊区农业经济、提高农民经济收入的一个重要的举措,因此培育与推广重金属Cd含量低的品种、对保证人民的食品安全与持续推动都市郊区甜糯玉米产业的健康发展就显得十分重要了;同时,包括甜糯玉米在内的玉米因其自身生物量较大,栽培条件粗放等特点,是重金属Cd污染耕地生态修复与替代种植的理想作物。本研究以171份新选甜糯玉米自交系和90份我国主要普通玉米自交系构建关联群体,2018年于成都平原某重金属Cd污染耕地种植,对在两种Cd污染水平下对供试材料的籽粒Cd含量进行测定,鉴定筛选不同积累类型的遗传材料;同时采用maizeSNP50K芯片对该群体进行基因型分析,采用全基因组关联分析方法揭示与籽粒重金属Cd含量关联的重要SNP标记,并利用生物信息学方法挖掘其候选基因。通过研究,获得的主要研究结果如下:1.供试群体261份材料的籽粒Cd含量统计分析结果显示,环境一(中度Cd污染,Cd含量9.57mg/kg)的籽粒Cd含量为0.001-1.44mg/kg,平均为0.2 mg/kg,其中甜糯玉米平均为0.394 mg/kg、普通玉米为0.0594mg/kg;环境二(重度Cd污染,Cd含量26.07mg/kg)的籽粒Cd含量为0.0005-3.56mg/kg,平均为0.434mg/kg,其中甜糯玉米平均为0.450 mg/kg、普通玉米为0.4064mg/kg;随着环境中污染程度加重,玉米籽粒中Cd含量增加;环境一甜糯玉米籽粒Cd含量平均值明显高于普通玉米自交系,环境下二者籽粒Cd含量平均值没有明显差异,普通玉米对环境中Cd含量的增加反应更加灵敏,其籽粒中Cd含量增加得更多,对食品安全影响更为显著。在171份甜糯玉米中,环境一的甜玉米平均籽粒Cd含量为0.219mg/kg,糯玉米的籽粒平均Cd含量为0.215mg/kg,环境二的甜玉米平均籽粒Cd含量为0.341mg/kg,糯玉米的平均籽粒Cd含量为0.224mg/kg,说明甜玉米对环境中Cd含量的增加反应更加灵敏。综合两个环境条件的试验结果,筛选出籽粒Cd低积累材料22份和籽粒Cd高富集材料31份,这为培育玉米籽粒重金属Cd低含量的安全品种与Cd高含量的生物修复新品种奠定了坚实的种质基础;17CL197和17CL68在两种污染水平下,分别均稳定表现为供试材料中低积累和高积累的极端材料,可作为今后甜糯玉米Cd积累遗传研究的基础材料。2.利用Maize56K SNP Array芯片对供试材料进行基因型鉴定,经数据质控及整合分析,共获得13,448个高质量和高多态性SNP标记。经进化树构建,供试的261份材料可分为3个亚群,其中90份普通玉米分为2个亚群,171份甜糯玉米分为1个亚群;进而对171份甜糯玉米群体数据单独进行进化树构建,供试甜糯玉米自交系可分为2个亚群,分别为甜玉米亚群和糯玉米亚群,其中糯玉米亚群中有一份甜玉米材料(17CL127)。经PCA分析,供试材料也被分为3个亚群。采用Admixture进行群体结构分析,供试的261份材料可分为3个亚群,在90份普通玉米自交系中,温带血缘45份,热带血缘35份,另10份为混合血缘;根据Q值的结构特征判断,认为171份甜糯玉米主要含热带血缘。几种分类分群总体结果较为一致,也与供试材料的系谱和前人的研究结果较为吻合。3.通过Tassel5.0混合线性模型对玉米叶片Cd含量性状进行SNP-全基因组关联分析,在显著水平-lgP≥4.13下,共检测到21个SNP,在环境一和环境二中检测到与籽粒Cd含量显著关联的SNP分别为18和3个,解释表型变异为11.87%-18.95%。利用MaizeGDB数据库,根据SNP物理位置初步筛选候选基因。其中,由籽粒Cd含量相关SNP定位的已知功能基因Zm00001d033585可能编码叶片渗透酶,Zm00001d004890可能编码锌指蛋白和细胞程序性死亡调控蛋白,Zm00001d040183可能编码类pfkB糖激酶家族蛋白,Zm00001d014957可能编码肿瘤蛋白,Zm00001d010375可能编码6-磷酸果糖激酶,Zm00001d009716可能编码调控跨膜信号转导途径的G蛋白。在2号染色体上出现7个物理距离相近的SNPs(Pos:157292561-165068962bp)与同时在环境二检测出1个相同SNP位点AX-86304181(Pos:163564013bp),根据R2=0.1的LD衰减距离,均定位到本课题组前期在普通玉米上定位获得的HMA2和HMA3候选基因,结合数据库查询候选基因主要功能,表明基因HMA2和HMA3编码Zn、Cd转运蛋白,显然该基因对甜糯玉米籽粒Cd含量也发挥着重要作用。本研究对不同污染环境下甜糯玉米自交系和普通玉米自交系籽粒Cd含量的比对分析结果,有助于对玉米籽粒Cd累积调控机制的理解,同时还鉴定筛选出籽粒Cd含量低累积与高富集表现极端的材料,为今后选育籽粒低积累、高富集新品种提供种质基础。通过聚类分析和群体结构分析,有助于发现玉米不同血缘间的籽粒Cd积累差异,为今后进一步发掘籽粒Cd含量低累积与高富集提供了明确的指导,也有助于籽粒Cd含量低累积与高富集遗传的解析。通过全基因组关联分析结果筛选籽粒Cd含量相关候选基因,为今后分子育种中采用基因编辑等精准生物工程技术方法选育籽粒低积累、高富集差异材料提供理论依据,大大提高甜糯玉米籽粒Cd含量低累积、安全优质新品种的效率。
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X503.231;S513
【图文】：

对比图,籽粒,污染水平,Cd含量

环境 1 的 261 份甜糯玉米材料中共有 155 份籽粒积累量符合国家食品安全标准（0.1mg/kg，GB 2762-2017）；环境 2 共有 111 份籽粒积累量符合国家食品安全标准（图 1）。总体上，环境 2 条件下的籽粒 Cd 含量始终高于其在环境 1 条件下的籽粒 Cd 含量，在籽粒含量低于 0.2mg/kg 的区间内，两种污染水平下的群体无明显差异；在群体的籽粒 Cd 含量高于 0.2mg/kg 的区间内，环境 2 污染条件下的群体籽粒 Cd 含量与在环境 1 污染条件下的籽粒 Cd 含量差异逐渐显著。

材料统计,籽粒

8图 2. 籽粒 Cd 低积累材料统计图Fig.2 Statistical chart of low-Cd-accumulation lines在 2 种环境中均进入前 50 的 22 份材料中（表 5），甜糯玉米自交系和普通自交系各 11 份，考虑到排在低积累前 50 的材料间籽粒 Cd 含量差异非常细微，所以将在 2 个 Cd 污染水平下均排进前 50 的 22 份材料均筛选为籽粒 Cd 低积累材料。其中 17CL197、142GXM156、10WRA120、17CL127 在 2 个污染水平下的表现相对稳定。17CL197 表现出最强且最稳定的 Cd 低积累特性，其籽粒 Cd含量在环境 1 和环境 2 中按升序分别排第 3（0.002mg/kg）、第 1（0.0005mg/kg）；142GXM156 的其籽粒 Cd 含量在环境 1 和环境 2 中按升序分别排第 17

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