混合选择群体结合多途径进行玉米开花调控的研究

发布时间：2020-05-16 23:24

【摘要】：玉米起源于地处热带地区,其野生祖先是大刍草。经过长期的人工驯化和改良,玉米成为分布非常广泛的一种农作物,在北纬50度到南纬45度的范围内均有种植。热带玉米具有较高的遗传多样性与优良的农艺性状,因此,广泛地应用于玉米种质资源的改良。然而,热带玉米光周期敏感性较高,直接种植在温带地区将会导致生育期不协调,需要将热带玉米进行适应性改良。开花期是玉米驯化改良过程中重要的适应性性状,控制着玉米生育周期的转变,因此,深入揭示玉米开花的遗传机理,挖掘开花调控基因具有非常重要的意义。玉米开花是一个数量性状,受群体结构影响较大,这为解析其遗传机理带来了巨大挑战。本研究采用经过混合选择法改良的热带玉米Pop32的原始群体C0,以及经过适应性改良的各轮次群体C3、C5。每个群体进行混池测序,通过结合ΔSNP index和WGCNA分析方法鉴定到了一系列开花候选基因,利用玉米第三版单倍型图谱中温带和热带的基因型数据,计算了全基因组水平上的F_(ST)和XP-EHH选择信号,筛选到了与开花相关的候选基因。本研究对通过上述方法筛选得到的候选基因,采用候选基因的关联分析法,鉴定候选开花基因和花期性状的关联程度,并采用qRT-PCR进一步验证了开花基因的生物学功能。得到的主要实验结论如下:1、Pop32的原始群体C0,以及经过适应性改良后的各轮次群体C3、C5,种植在温带环境,并记录其开花期天数,发现各改良群体的散粉天数由C0世代的91.6天、缩短到C3世代的84.4天,最终降低到C5世代的78.4天,C5世代的植株已经可以正常散粉吐丝和结实。表明控制双亲授粉的混合选择法可以有效地对热带玉米花期性状进行改良,使其适应温带环境。2、对Pop32的三个改良群体分别进行混池测序。SNP变异检测最终得到了4973810个高质量的SNP。通过两个群体间ΔSNP index的计算,并进行显著位点和候选基因区间的鉴定,一共得到了6517个候选适应性改良基因,基因功能注释发现一些可能参与到开花调控通路的基因,例如GRMZM2G019879,GRMZM2G171365等。3、分析不同组织基因表达量。最终在6517个候选基因中过滤得到5242个高表达量的基因,用于权重基因共表达网络构建。最终鉴定得到了13个组织特异性模块。组织特异性模块基因的GO富集分析发现,Blue、Cyan、Darkturquoise和Black等模块中可以得到与开花发育和调控相关的GO条目。其中在Cyan模块,发现数个已经报道过的开花基因,包括GIZG1A、ZmMADS3、ZmMADS1、ZMHD6、ZFL1等。通过筛选与开花基因存在高连通性的基因,构建开花基因调控网络,鉴定到了一批候选开花基因。4、F_(ST)选择信号法共鉴定到557个候选基因,XP-EHH选择信号法一共鉴定到1913个候选基因。候选基因中包括多个与开花调控相关的基因,包括ZmCCT9、COL1、GRMZM2G387528。5、候选基因的关联分析发现其对开花期性状的表型变异贡献率,相比于已经报道过的开花基因更高,例如GRMZM2G317900、GRMZM2G019879、GRMZM2G126506等。挑选了GRMZM2G019879、GRMZM2G058158、GRMZM2G171365、GRMZM2G055905等四个基因进行qRT-PCR实验,发现这些基因在不同的组织中均具有显著的差异表达。
【图文】：

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【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S513

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