玉米S-CMS育性恢復(fù)基因精細(xì)定位和玉米耐旱全基因組關(guān)聯(lián)分析.pdf

1、細(xì)胞質(zhì)雄性不育(Cytoplasmic Male Sterility，CMS)是在大多數(shù)植物中都存在的一種自然現(xiàn)象。CMS/Rf系統(tǒng)不僅在玉米、水稻、油菜等主要農(nóng)作物的雜交育種中發(fā)揮著重要的作用，而且也是研究核質(zhì)互作的重要模式系統(tǒng)之一。玉米是最早將CMS/Rf系統(tǒng)應(yīng)用于雜種優(yōu)勢利用的糧食作物。S-CMS是玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育中最大的一種類別，精細(xì)定位并克隆其育性恢復(fù)基因?qū)﹃U明核質(zhì)互作控制其育性發(fā)生的分子機(jī)理，充分發(fā)揮S-CMS在玉米雜種優(yōu)

2、勢利用中的作用具有重要的理論及實(shí)踐意義。
　　在前人關(guān)于玉米S-CMS育性恢復(fù)基因定位研究的基礎(chǔ)上，本研究以含有Rf3/rf3基因的近等基因系(NIL)Mo17為材料，構(gòu)建了(S-Mo17rf3rf3×S-Mo17Rf3Rf3)xN-Mo17rf3rf3和(S-Mo17Rf3Rf3xN-Mo17rf3rf3)×N-Mo17rf3rf3)兩套BC1群體。利用Rf3/rf3區(qū)間的分子標(biāo)記信息，并借助B73基因組序列開發(fā)分子標(biāo)記，對(duì)Rf

3、3進(jìn)行精細(xì)定位構(gòu)建S-Mo17Rf3Rf3的BAC文庫。同時(shí)對(duì)定位區(qū)域內(nèi)包括PPR基因在內(nèi)的功能基因信息進(jìn)行挖掘分析，確定可能的Rf3候選基因。研究取得以下進(jìn)展:
　　1.通過比較分析玉米雄穗不同小花內(nèi)的花粉發(fā)育動(dòng)態(tài)，確定了“鑒定小穗上位花的花粉育性”作為判定玉米配子體CMS材料花粉育性的形態(tài)學(xué)指標(biāo)。確保了研究中育性鑒定的準(zhǔn)確性。
　　2.兩套BC1群體的田間植株育性表型和室內(nèi)花粉育性鏡檢結(jié)果一致，BC1群體中半不育和全不育

4、株分離比符合1∶1的分離比例。表明定位群體的雄花育性受一對(duì)Rf3/rf3基因控制。
　　3.以B73基因組序列為參考，在前人初步定位Rf3/rf3基因的2.09bin區(qū)間內(nèi)共開發(fā)標(biāo)記638對(duì)，其中SSR標(biāo)記有198對(duì)，STS標(biāo)記440對(duì)。標(biāo)記分析結(jié)果表明:兩類標(biāo)記在親本材料間的多態(tài)性分別為1％和5％。
　　4.STS引物擴(kuò)增片段的序列分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)片段的序列完全相同，僅有少數(shù)SNP位點(diǎn)可以成功轉(zhuǎn)化為CAPS和dCAPS標(biāo)記。

5、這一結(jié)果從另一側(cè)面確定了本研究所利用的Rf3/rf3的NIL間，正向選擇差異區(qū)段的圖距相對(duì)較窄。
　　5.采用圖位克隆策略，利用不同年份構(gòu)建的兩套較大的BC1分離群體，構(gòu)建了Rf3/rf3基因區(qū)間19.9cM的分子標(biāo)記遺傳連鎖圖，標(biāo)記間平均圖距為2.84cM。但這些被精細(xì)定位的標(biāo)記均位于Rf3基因的一側(cè)，最近的標(biāo)記為2042S-3，遺傳距離為1.6cM。在為恢復(fù)基因的圖位克隆奠定了基礎(chǔ)。
　　6.以S-Mo17Rf3Rf3為

6、材料，構(gòu)建了含有Rf3基因的Mo17核背景的細(xì)菌人工染色體(BAC)文庫。該文庫包含175104個(gè)BAC克隆，平均插入片段長度為130kb，覆蓋玉米基因組9.1倍，為圖位克隆Rf3基因提供了有效的工具。
　　7.對(duì)2.09bin區(qū)域內(nèi)的序列分析發(fā)現(xiàn)了12個(gè)PPR基因，其中有6個(gè)與CMS恢復(fù)基因相關(guān)的P亞家族基因位于Rf3定位的區(qū)域內(nèi)。以該6個(gè)PPR基因?yàn)樘结槪捎肦FLP技術(shù)檢測包含近等基因系在內(nèi)的、分別含有Rf3或rf3基因的若

7、干試材，為后續(xù)Rf3的克隆提供了重要的功能標(biāo)記。
　　8.以候選PPR基因的序列和最近的標(biāo)記為探針，篩選BAC文庫，在2.09bin區(qū)域內(nèi)獲得陽性克隆48個(gè)。contig構(gòu)建及后續(xù)分析正在進(jìn)行中。
　　本研究另一個(gè)關(guān)注的領(lǐng)域是玉米干旱脅迫下耐旱QTL的定位。
　　干旱脅迫是全球干旱、半干旱地區(qū)影響玉米生產(chǎn)的重要逆境之一，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)和分子標(biāo)記輔助選擇等分子育種手段，選育抗旱玉米自交系是玉米育種的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。本研

8、究對(duì)350份熱帶玉米自交系與測驗(yàn)種CML312組配的F1群體，在中國、墨西哥、肯尼亞和泰國等4個(gè)環(huán)境下的干旱處理和對(duì)照（正常灌溉）獲得的表型鑒定數(shù)據(jù)，利用Illumina Maize SNP50芯片分析的基因型資料進(jìn)行全基因組耐旱性的關(guān)聯(lián)分析，為進(jìn)一步發(fā)掘和克隆抗旱QTL提供理論依據(jù)。研究獲得了以下結(jié)果。
　　1.9個(gè)耐旱相關(guān)表型的遺傳力分析表明，株高、穗位高、相對(duì)穗位高、散粉-吐絲間隔期和百粒重等遺傳力較高，籽粒產(chǎn)量的遺傳力中等

9、，穗粒數(shù)遺傳力最低，表明籽粒產(chǎn)量和穗粒數(shù)受干旱影響較大。以上結(jié)果與CIMMYT多年育種實(shí)踐一致。
　　2.利用Illumina Maize SNP50芯片對(duì)350份供試材料的基因分型結(jié)果表明，A/G類型的SNP占74.5％，其他類型的SNP占25.5％，這種SNP的“偏愛”現(xiàn)象暗示了基因組結(jié)構(gòu)—基因功能—耐旱表型—熱帶地區(qū)自然選擇和人工選擇之間的可關(guān)聯(lián)性。
　　3.本研究在Bonferroni1/N下共檢測到275個(gè)SNP，

10、定位于221個(gè)基因與所測表型關(guān)聯(lián)，其中50個(gè)基因與一個(gè)以上的性狀相關(guān)聯(lián)。GO功能分析顯示這些基因涉及到生物合成、代謝、信號(hào)傳導(dǎo)等多個(gè)途徑。結(jié)果顯示玉米耐旱是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要多個(gè)代謝途徑協(xié)同響應(yīng)。
　　4.38個(gè)基因共定位到的28個(gè)已知的抗旱Meta-QTL區(qū)間中，有9個(gè)為干旱脅迫環(huán)境下檢測到的，22個(gè)在正常環(huán)境下檢測到，7個(gè)在兩個(gè)環(huán)境下都檢測到。38個(gè)基因分布于玉米基因組的10條染色體，第二染色體最多，有7個(gè)，第三染色體最少，