玉米种子活力相关性状QTL定位及相关基因的克隆

【摘要】玉米(ZeamaysL.)是世界上最重要的粮食、饲料和工业原料作物之一，在确保粮食安全、经济健康发展以及化解能源危机方面具有举足轻重的作用。种子是农作物生产的物质基础，种子质量的优劣直接影响农业生产的成效。种子活力是衡量种子质量和应用价值最重要的指标之一，活力高的种子发芽迅速整齐、幼苗均匀整齐、生长健壮，同时可以实现节约播种量，减少劳力投入，降低生产成本，提高农业生产效益。QTL定位和克隆是解析玉米农艺性状遗传基础的重要手段。本研究以基于豫537A×沈137和豫82×沈137构建的两个RILs群体的420个家系为材料，利用SNP分子标记技术构建了两张分布较均匀、高密度的分子遗传连锁图谱，采用复合区间作图法定位了发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、苗长、幼苗干重、根干重、简易活力指数和平均发芽速度以及超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性、丙二醛含量等玉米种子活力相关形态及生理指标的QTL，并根据比较基因组学分析生物信息学方法预测种子活力相关候选功能基因，同源克隆ZmqLTG3-1基因并对其功能进行了初步分析，假以阐明玉米种子活力的分子遗传机理、为高活力玉米种质材料创制和优异的高产品种选育提供理论基础和优良的基因资源、为分子标记辅助选择提供参考。主要结果如下：1、利用基因芯片技术开发的3072个SNP标记，对两个重组自交系群体及其亲本豫82和沈137、豫537A和沈137进行亲本多态性标记筛选，获得亲本多态性SNP标记分别为1397个和1371个。利用Jionmap4软件，在LOD=2.5和最大遗传距离为20cM的情景下，构建了2张分别包含1172个和1139个SNP标记位点的遗传连锁图谱，均包含10个连锁群，图谱全长分别为1629.61cM和1681.75cM，标记间平均距离分别为1.39cM和1.48cM，标记分布比较均匀。利用Biomercator3.1软件将2张遗传图谱整合为包含1712个SNP标记的整合图谱总长为1712.6cM，标记平均距离为1.00cM。2、不同人工老化条件下，利用2个重组自交系群体共检测到172个玉米种子活力相关性状的QTLs。其中基于豫82×沈137的重组自交系群体检测到92个，分布在全部基因组的10条染色体上，单个QTL解释性状遗传变异介于5.4%-13.74%。基于豫537A×沈137的重组自交系群体检测到80个，分布在1、2、3、4、5、7、8、9、10染色体上，单个QTL解释性状遗传变异介于5.39%-12.11%。利用元分析的方法，将172个初始QTLs中的140个（81.39%）整合进25个mQTLs，分别分布于基因组的10条染色体上，每个mQTL平均包含5.6个QTLs，调控2-6个性状，其中mQTL2、mQTL3-2、mQTL3-4、mQTL5-2、mQTL5-3、mQTL6-2、mQTL8等7个mQTLs中均包含了多个与种子活力相关且稳定表达的QTLs。33个候选基因分别位于18个mQTLs对应的SNP标记分布区间内，主要在生长发育、代谢途径调控、信号传导、逆境抵御等方面发挥功能。3、不同温度环境下，利用2个重组自交系群体共检到83个玉米种子活力相关性状的QTLs。其中基于豫82×沈137的重组自交系群体检测到33个，分布在1、2、3、5、6、7、10染色体上，单个QTL解释性状遗传变异的5.41％-11.01％。基于豫537A×沈137的重组自交系群体检测到50个，分布在全部基因组的10条染色体上，单个QTL解释性状遗传变异的5.39％-11.92％。利用元分析的方法将83个初始QTLs中的40个（37.5%）整合进6个mQTLs，分别分布于第3、5、7和10染色体上，每个mQTL平均包含5.16个QTLs，调控2-6个性状，其中mQTL3-2包含了10个QTLs，涉及参与对MGT、VI、SDW、RDW、GE、SVI等6个性状的调控，充分体现了一因多效。35个候选基因分别位于6个mQTLs对应SNP标记分布区间内，主要参与了对种子萌发、氧化还原代谢途径、信号传导、逆境抵御等生物过程的调控。4、对基于豫537A×沈137的重组自交系群体超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性、丙二醛含量等4个生理指标进行了QTL检测，共检测到11个QTLs，分别分布在第1、2、4、6、7、8等6条染色体上，单个QTL的贡献率介于5.52％-12.10％。5、克隆了ZmqLTG3-1基因，其cDNA全长606bp，具有一个441bp的开放阅读框，编码147个氨基酸，该蛋白含有AAI_LTSS超蛋白家族的LTP（含8个半胱氨酸）保守结构，分子量为14.16KDa，等电点是8.3，与高粱、水稻的相似度分别为92%和88%。荧光定量RT-PCR分析结果表明，在玉米胚中的表达量最高，其次是茎尖，在叶、根等器官中的表达量较低；随着胚萌发时间的增加，其表达量逐渐增加，在萌发24h时呈现最高丰度表达，之后表达丰度与萌发时间呈现规律性下降。亚细胞定位结果表明，该基因所编码的产物被定位在细胞膜上，是一跨膜蛋白。通过农杆菌介导的花序侵染法将过表达载体OE-ZmqLTG3-1和空载体pCAMBIA1304转入拟南芥，在诸如干旱、高温和盐等非生物胁迫下，与对照相比，T3代转基因植株的成活率显著提高，说明ZmqLTG3-1基因对于抵抗非生物胁迫发挥了重要作用。
【作者】韩赞平；
【导师】陈彦惠；
【作者基本信息】河南农业大学，作物遗传育种，2014，博士
【关键词】玉米；种子活力；QTL定位；重组自交系群体；人工老化；候选基因；

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