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玉米苞叶表型可塑性的GWAS分析

苏丽娜  
【摘要】:玉米作为我国三大重要作物之一,不仅是主要的粮食作物,更是重要的饲料作物,在工业领域和药用领域也有一定作用。玉米苞叶就是穗柄节上着生的由叶鞘转化成的变态叶,其形态结构与收获期玉米籽粒的脱水效率及机械化收获密切相关。玉米苞叶能够维持果穗正常的生长发育,防止病虫害霉菌污染,也是重要的营养物质存贮器官,参与光合作用为籽粒的发育提供能量。前期研究发现,玉米苞叶在不同环境间存在显著差异。这种同一基因型在不同环境中表现出不同表型的能力被称作表型可塑性,反映了生物与环境之间的关系,已成为生态学和遗传学研究的重点问题。本研究以环境方差作为表型进行全基因组关联分析(GWAS),解析玉米苞叶表型可塑性的遗传基础,从而为玉米苞叶性状的异地育种提供理论依据。本研究使用具有广泛多态性的508份玉米自交系所构成的关联群体作为研究对象。分别在环境差异较大的3个地区,南部地区2014年三亚、北部地区2015年北京(中国农业大学上庄试验站)和2017年铁岭种植,三亚和北京均种植两次重复,铁岭种植三次重复。在玉米籽粒完全成熟后,收获前同一时间,对玉米苞叶性状(长度、宽度、层数和厚度)表型可塑性进行分析时,使用环境方差作为表型来评价表型可塑性,进行后续分析。根据Farm CPU算法对玉米苞叶性状表型可塑性进行GWAS分析,确定显著关联的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)位点,进行候选基因的筛选和查找。结果表明,同一苞叶性状在不同环境中存在显著差异,因此本研究可以用环境方差衡量表型可塑性。除了苞叶长度与苞叶层数显著相关之外,其它性状的相关性均不显著。同一苞叶性状不同亚群之间存在显著差异。本研究中Farm CPU在默认阈值(P7.98×10~(-9))和调整阈值(P7.26×10~(-6))下,分别发现7和99个与苞叶性状显著关联的SNP位点,筛选出8和99个候选基因。仅分析高于默认阈值的候选基因,其基因功能可以分为4类。其中,属于转录调控途径的候选基因是GRMZM2G400452,属于细胞转录途径的候选基因是GRMZM2G447657和GRMZM2G056908,属于代谢途径的候选基因GRMZM2G074331和GRMZM2G090051,属于信号转导途径的候选基因GRMZM2G402171、GRMZM2G088974和GRMZM2G011364。综上所述,苞叶层数和苞叶厚度比其它苞叶性状具有更高的表型可塑性。期望通过表型可塑性候选基因的调控,可以调控不同环境中苞叶层数和苞叶厚度的稳定性。


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