基于关联分析挖掘玉米硝酸还原酶基因ZmNR2功能位点

发布时间：2020-09-02 10:51

　　氮代谢是高等植物生长发育的基本物质代谢之一,硝酸还原酶(Nitrate reductase,NR)是氮代谢的关键酶,负责氮循环的初始还原步骤。硝酸还原酶活性(Nitrate reductase activity,NRA)与硝酸盐积累量关系密切,直接影响到植物的氮效率。因此,从分子水平分析玉米核心自交系硝酸还原酶基因的遗传规律将有利于加快育种进程、提高育种效率。本研究以实验室构建的126个玉米核心自交系组成的关联作图群体为试验材料,鉴定并评估了玉米苗期硝酸还原酶活性等8个氮效率相关表型性状,结合126份自交系的群体结构和硝酸还原酶基因ZmNR2的序列多态性开展候选基因关联分析,旨在发掘与氮高效性状相关的优异等位变异及氮高效单倍型。主要的研究结果如下:1、本研究鉴定了关联群体的硝酸还原酶活性、根干重、茎干重、总干重、全株长、主根长、叶绿素SPAD值和根冠比8个氮效率相关性状。发现该群体各性状均呈连续正态分布,表现出不同程度的变异,遗传力在60.03%-82.21%之间。其中硝酸还原酶活性的变异幅度较大,遗传力较低,受环境影响较大。相关性分析结果表明在E1和E2环境下NRA和主根长、根干重以及总干重之间均呈显著正相关关系。2、通过ZmNR2基因的序列多态性分析,发现在113份玉米自交系中共检测到58个多态性位点,其中包括50个SNPs变异(平均每62 bp一个)和8个Indels变异(平均每389 bp一个)。该基因SNPs位点主要分布在外显子区域,Indels位点主要分布在内含子区域。连锁不平衡分析显示,在ZmNR2基因的序列上分布着一些明显的LD结构。该基因的连锁不平衡随距离的增加而在250bp左右开始快速衰退,并在1000 bp左右衰减至0.1水平以下。3、使用TASSEL软件中的3种统计模型对所有性状和多态性位点进行关联分析,分别包括一般线性模型(GLM)、考虑群体结构Q矩阵的一般线性模型(GLM+Q)和混合线性模型(MLM(Q+K))。ZmNR2基因在3种模型中共检测到38个关联显著的多态性位点,包括30个SNPs和8个Indels。其中共有8个多态性位点在TASSEL的三种统计模型下都与对应性状显著关联;共有6个多态性位点在P≤0.01下与对应性状显著关联。4、基于已获得的6个显著关联SNPs/Indels位点共划分出4种单倍型(MAF≥0.05)。分析结果表明,单倍型Hap1、Hap2、Hap3、Hap4分别具有3、3、1和1个优异等位变异。各单倍型硝酸还原酶活性T检验结果表明,Hap1和Hap4平均值差异显著(P0.05)。由此,本研究推断Hap1为氮高效单倍型,Hap4为氮低效单倍型。5、利用田间产量表型鉴定试验和ZmNR2基因表达量分析进一步验证氮高效单倍型Hap1和氮低效单倍型Hap4。结果表明,氮高效单倍型Hap1的产量表现显著高于氮低效型单倍型Hap4;Hap1的基因表达量显著高于Hap4。进一步证实Hap1的自交系中蕴含丰富的增效等位基因变异,S633-T和S1337-1可能是重要的优异等位基因组合。这些变异对氮素营养利用的多条调控途径有共同响应,可应用于分子标记辅助选择改良玉米的氮高效利用效率。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S513

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