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玉米高密度重组图谱构建及耐旱相关性状的遗传解析

李春辉  
【摘要】:玉米是全球重要的粮食作物和饲料来源,也是研究遗传、进化和驯化的模式作物。玉米种质资源是培育优质、高产、抗病、抗逆新品种的物质基础,在大量种质资源中挖掘优异等位基因将有助于提高玉米育种的效率。本研究通过11个中国玉米骨干自交系分别与共同亲本黄早四杂交和连续自交,构建获得了包含11个RIL群体、2000个家系的温带玉米巢式关联作图群体(CN-NAM);它们与包含25个组合、5000个家系的美国NAM群体(US-NAM),共同组成本研究的试验群体,这两套大规模的作图群体为挖掘玉米种质资源中优异等位基因提供重要的资源平台。在此基础上,借助GBS测序技术获得的高密度分子标记,开展了玉米高密度重组图谱的构建及NAM群体基因组遗传特征的研究。此外,通过正常水分和干旱胁迫两种处理下进行抗旱性评价,同时利用连锁分析和关联分析的方法手段,结合NAM群体共同亲本的转录组测序结果,开展了玉米耐旱性遗传结构分析和耐旱相关候选基因挖掘工作。主要研究结果如下:1.玉米高密度重组图谱构建与应用 遗传连锁图谱是数量性状定位、遗传分析和进化分析的基础。本研究利用NAM群体GBS测序获得高密度分子标记,构建群体重组图谱(bin map)。以bin作为新型的遗传标记构建遗传连锁图谱,36个单RIL群体的遗传图谱所包含的标记数目变化范围在734个bin到2183个bin;CN-NAM和US-NAM群体的复合遗传图谱分别包含4932和5296个bin;两套NAM群体整合后的复合遗传图谱包含6238个bin。通过比较高密度遗传图谱和中等密度遗传图谱在US-NAM群体散粉期和吐丝期QTL作图结果,发现高密度遗传图谱并不能提高QTL检测的功效,但是高密度遗传图谱可以将QTL作图的分辨率提高约50%。与单个NAM群体的抽雄期QTL作图结果相比,两套NAM群体的整合进行抽雄期的QTL作图可以将QTL的检测率和分辨率均提高约50%。2.玉米巢式关联作图群体的遗传特性分析 玉米基因组遗传特性的分析将有助于理解玉米的遗传变异和表型变异。本研究以NAM群体为试验材料,结合高密度重组图谱探讨玉米基因组的遗传特性。遗传特性分析结果表明,就双亲遗传组份而言,NAM群体内存在较少的偏分离;NAM群体存在适合度上位性。重组事件数分析结果表明,在单个RIL群体中重组事件数呈近似的正态分布。以重组事件数为表型性状,在单个RIL群体中进行QTL作图,共在9个RIL群体中检测到14个QTL,单个QTL解释的表型变异在5.4%到17.3%之间。偏分离分析结果表明,36个群体中共检测到445个偏分离区段,其中15个一致性偏分离区段可以至少在10个RIL群体中鉴定到。大约80%的已知玉米配子体基因与显著的偏分离区段相互重叠。偏分离与重组率和基因密度的关系结果表明,高重组率和高基因密度的基因组区段具有较低的偏分离。3.两种水分处理下玉米耐旱相关性状的遗传解析 干旱是影响玉米生产的主要非生物胁迫因素之一。本研究在正常水分环境和干旱胁迫两种处理下对NAM群体进行耐旱相关性状的鉴定评价,包括ASI、株高、单株产量、穗重、穗长、行粒数和百粒重。表型分析结果表明,CN-NAM和US-NAM群体的表型在干旱胁迫下和正常水分环境下存在显著的差异。在两种水分环境下,CN-NAM群体中的ASI与其它6个性状均呈显著的负相关(ASI与穗长除外);同样,US-NAM群体的ASI与其余的性状均呈显著负相关,除了干旱胁迫下ASI与株高之间没有显著性之外。连锁分析表明:CN-NAM群体的7个耐旱相关性状在正常水分条件下定位到108个QTL、在干旱胁迫下定位到91个QTL;US-NAM群体的7个耐旱相关性状在正常水分条件下定位到112个QTL、在干旱胁迫下检测91个QTL。CN-NAM与US-NAM在正常水分环境和干旱胁迫环境下的一致性QTL分别为32和18个。性状间的QTL一因多效分析结果表明,在正常水分环境下,NAM群体中没有检测到一致性QTL一因多效位点;在干旱胁迫处理下,NAM群体中检测到一致性QTL一因多效,穗长与穗重、百粒重与行粒数之间均存在QTL一因多效位点。全基因组关联分析结果表明,CN-NAM群体在正常水分环境和干旱胁迫环境下分别鉴定出127和128个关联位点;US-NAM群体在正常水分环境和干旱胁迫环境下分别鉴定出95和51个关联位点。通过生物信息学分析,初步确定354个候选基因。利用B73和黄早四在干旱胁迫和正常水分环境下的转录组测序获得的差异表达基因,确定了19个与玉米耐旱相关候选基因。


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