论文部分内容阅读
株高是玉米的一个重要的农艺学性状,也是产量的重要决定因素。近年来玉米产量的提高很大程度上得益于密度的增加,但高密度条件下的植株竞争导致株高的增加,进而影响抗倒性及最终产量。因此,培育株高适度降低又不对产量造成影响的材料是解决高密度种植所带来倒伏问题的一个重要育种目标,而玉米株高QTL则是培育株高合适并耐密植材料的最佳选择。至今,有许多控制株高的QTL位点被报道,但却极少被克隆并应用于遗传改良。另一方面,基因组上存在一些使被修饰基因分离比例、表达量及表型产生变化的修饰因子(modifiers),尽管由此造成的基因与遗传背景互作在遗传学研究中极为常见,但基因-修饰因子之间互作的分子机理尚不明确。EMS突变体B73ys (yellow seedling)表现为幼苗黄化而后恢复,而ys位点在PH09B背景下表现恢复缓慢、生长迟缓甚至致死等更极端表型。在本研究中,采用图位克隆、关联分析、表达分析和转基因等手段,克隆了一个控制玉米株高的主效QTL-qph1、验证了其中影响株高的重要功能位点并提出了其调控株高的可能机理,同时克隆了玉米黄花苗突变体基因ys极其修饰因子ys-modifier并提出了二者相互作用的分子机理。主要研究结果包括：1.利用综3/87-1RIL群体中两个系RIL88(qph1)(受体亲本)和RIL279(QPH1)(供体亲本)构建了株高主效QTL-qphl的近等基因系RIL88(qph1)及BC6F2定位群体,通过扫描BC6F2群体中8030个单株获得分属11种交换类型的50个交换单株并将qphl定位于玉米第1染色体BACAC210610上1590bp的区间内。2.qphl目标区段位于一个生长素极性运输中输出载体编码基因Br2(Brachytic2/ZmPGP1)的第5外显子上,序列上RIL88(qph1)与RIL88(QPH1)间共存在5个SNP位点,只有SNP5259(T)造成了一个由精氨酸(Arg)至亮氨酸(Leu)的替换,为最可能的qphl功能位点。关联分析显示4个同义SNP与表型不关联,而SNP5259(T)为一个仅在5个温带材料中存在的稀有SNP。表达分析显示qphl的表达量在RIL88(qph1)与RIL88(QPH1)间无差异；蛋白质空间结构预测显示SNP5259(T)造成的氨基酸替换位于Br2跨膜区的第9个a-螺旋上,氨基酸残基面向蛋白形成的跨膜通道内侧,由高亲中长侧链、碱性、亲水且带正电荷的精氨酸(Arg)转变为短侧链、疏水且中性的亮氨酸(Leu),很可能影响了该转运蛋白的部分功能。3.在4个F2分离群体及6对由RIL88(qph1)及RIL88(qph1)和不同自交系杂交构建的F1杂交种中评估了qphl对各个性状的效应,结果显示该主效QTL在不同遗传背景下对株高和穗位高都具有极显著的影响,但对产量性状没有影响或有极微弱影响。RIL88(qph1)×Ye107及RIL88(QPH1)×Ye×107在4个不同种植密度下的表现说明qphl改良的杂交种较由其高杆近等基因系发展而来的自交系在高密度条件下具有更合适的株高及更小的减产幅度。4.利用B73ys/Mo17的BC1群体克隆了玉米ys基因,其位于玉米第9号染色体,编码定位于叶绿体的Clp蛋白酶复合体中ClpP1亚基(Chr.9_ClpP1).位于基因第4外显子与第4内含子间一个141bp的似MITE插入为功能位点,其插入影响了B73ys中该基因前体mRNA的正确剪切。同时,利用B73与Mo17构建的F2群体克隆并验证了位于玉米第1染色体上的ys-modifier,其为ys基因的旁系同源基因(Chr.1_CtpP1),在序列上有极高的相似性。5.表达分析显示：在B73ys与Mo17ys突变体中,ys-modifier的表达量被诱导而显著高于B73和Mo17野生型中该基因的表达量。B73×PH09B及B73ys×PH09Bys两个F1中等位基因特异性表达也证明了B73-modifier被ys位点的突变所诱导表达的程度远远大于PH09B-modifier,因而得出结论：ys与ys-modifier间互作的分子机理为同一基因的两个拷贝在顺式调控下的功能互补。