利用连锁和关联分析剖析玉米茎秆细胞壁组分及消化性状的遗传基础

发布时间：2020-05-29 10:50

【摘要】：玉米(Zea mays L.)是世界第一大粮食作物,也是重要的饲料来源。玉米茎秆细胞壁组分不仅对抗倒伏性起着重要的作用,也对饲用玉米的适口性和消化率有深远的影响。所以研究玉米茎秆细胞壁组分及消化率的遗传机理对培育优良饲用玉米品种具有重要意义。本研究以2个重组自交系群体(群体I:B73×By804,群体II:郑58×HD568)和包含来自于全球368份玉米自交系的关联群体为遗传材料,应用连锁分析及全基因组关联分析方法分析了玉米茎秆细胞壁组分及消化率性状的遗传机理,为饲用玉米育种提供一定理论依据。主要研究结果如下:1、两个环境调查RIL群体6个发育时期细胞壁组分及消化率性状表型并进行分析。结果表明,各性状间呈现极显著相关,并且受到遗传及环境因素的显著影响。随着玉米生长及成熟,两群体中ADF和NDF平均含量呈现逐渐增加的趋势,ADL平均含量整体趋势下降,IVDMD和IVNDFD的平均表现都是先降低后升高,群体I中CEL平均含量没有明显的规律性,群体II中CEL平均含量在前五个时期没有明显变化,在成熟期有所下降。2、在群体I中应用包含756个SNP标记,总长为1607.71cM的遗传图谱,并基于完备区间作图法进行QTL定位。6个时期共检测到72个控制玉米细胞壁组分及消化率的QTL,分布在38个染色体区域。其中控制ADF、NDF、ADL、CEL含量、IVDMD及IVNDFD的QTL分别为15、20、11、10、13和3个,单个QTL解释的表型变异范围是1.52%-20.01%,约27.8%(20/72)的QTL解释大于10%的表型变异,约72.2%(52/72)的QTL解释小于10%的表型变异,这表明细胞壁组分及消化率的性状表现受少数主效QTL和大量的微效QTL控制。3、在群体II中应用包含1358个SNP标记,总长为1985.21cM的遗传连锁图谱,并基于完备区间作图法进行QTL定位。6个时期共检测到119个控制玉米细胞壁组分及消化率的QTL,分布在68个染色体区域。其中控制ADF、NDF、ADL、CEL含量、IVDMD及IVNDFD的QTL分别为17、17、19、16、23和27个,单个QTL解释1.62%-18.64%的表型变异,约14.3%(17/119)的QTL解释大于10%的表型变异,约85.7%(102/119)的QTL解释小于10%的表型变异。4、调查包含368份玉米自交系的关联群体在7个环境中6个细胞壁组分及消化率性状的表型,与DNA芯片平台和RNA测序技术获得的最小等位基因频率大于0.05的559285个SNP标记相结合,应用考虑群体结构和亲缘关系的混合线性模型对6个细胞壁相关性状进行全基因组关联分析。在P1×10-4和RMIP(随机抽样模型包含概率)≥0.1的水平下共检测到102个和31个分别与细胞壁组分和消化率显著关联的位点,每个位点可以解释4.2%-6.7%的表型变异。对这些位点的候选基因进行了功能注释,发现了1个木质素生物合成代谢途径中的关键酶基因ZmC3H2。同时将关联分析结果与连锁分析结果进行对比发现了一些与目标显著关联的位点位于QTL分布的热点区域。5、荧光定量实验结果表明,ZmC3H2及其同源基因ZmC3H1在玉米根、雌穗、雄穗、叶片及茎秆中均有表达,两基因在各组织中的相对表达量差异显著。同时,构建了ZmC3H1和ZmC3H2的基因编辑载体,获得了编辑成功的转基因T0代植株的种子。
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