玉米茎秆细胞壁组分及消化品质性状的全基因组关联分析

【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。玉米茎秆的细胞壁组成成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产生深远的影响。提高玉米茎秆的消化率可以增强动物的营养吸收效率,因此提高玉米的饲用玉米品质是饲用玉米育种的主要目标。分子生物学的发展以及全基因组关联分析方法的使用,为深入剖析玉米茎秆细胞壁组分及消化率性状的遗传基础提供一种新的手段,使我们充分挖掘与这些性状关联的候选基因,并深入理解玉米细胞壁合成的生物学机制与遗传机理。本研究以368份来自于全球范围内具有广泛变异的自交系为群体,对玉米茎秆的细胞壁组成成分以及茎秆消化品质性状进行关联分析,并评估各关联位点的位置、效应,在此基础上挖掘相关性状的候选基因。主要研究结果如下:1.在7个环境中,对包含368份玉米自交系的关联群体进行细胞壁组分含量及消化品质性状的测定,其中包含木质素(LIG)、纤维素(CEL)、半纤维素(HC)、酸性洗涤纤维(ADF)、中性洗涤纤维(NDF)和体外干物质消化率(IVDMD),共6个性状。利用混合线性模型对多环境的表型数值进行分析得到最佳无偏线性预测值(BLUP)。利用该数据进行表型数据的统计分析结果表明,各性状在关联群体中变异范围为1.2倍(HC)到2.2倍(IVDMD)。方差分析结果表明,6个性状的表型变异中遗传效应所导致的差异显著。6个性状的遗传力较高,变异范围为 0.68(HC)-0.85(IVDMD)。2.结合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559,285个SNP标记,采用考虑群体结构和亲缘关系的混合线性模型对关联群体中茎秆细胞壁组分及消化品质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64个和69个分别与细胞壁组分和消化品质性状显著关联位点,每个位点可以解释4.2%-6.7%的表型变异。研究结果表明,该群体中细胞壁组分和消化品质性状主要受微效多基因控制。3.根据检测到的独立的关联位点提名各性状的候选基因,在候选基因中发现直接参与木质素合成途径中的基因ZmC3H2与多个性状显著关联,该基因编码的香豆酸3-羟化酶不仅控制H型木质素单体与G/S型木质素单体的比例,也可以直接影响木质素的总含量。候选基因中还发现一些调控木质素合成途径基因表达量水平的转录因子基因,如LIM及类SND2/3的NAC转录因子家族基因等。除了上述基因外,候选基因主要编码参与逆境胁迫调控蛋白及其他生物学途径的蛋白。