玉米穗行数全基因组关联分析

穗行数是玉米产量的重要组成性状,其遗传解析对高产育种具有指导意义。本文以203份主要玉米自交系为材料,2007年在新疆乌鲁木齐、吉林公主岭和海南三亚进行穗行数测定;采用分布于玉米基因组的41 101个单核苷酸多态性(SNP)标记对穗行数进行关联分析。共鉴定出9个与穗行数显著关联(P0.0001)的SNP,分别位于染色体框1.02、1.10、7.03、8.02、9.06和10.03。8个SNP位于已定位的数量性状座位(QTL)区间内。在显著SNP位点LD区域内发掘出4个候选基因,分别编码含F-box结构域的生长素受体蛋白、玉米kn1蛋白、AP2结构域蛋白和富亮氨酸重复的跨膜蛋白激酶。采用全基因组关联分析策略发掘穗行数基因位点及候选基因,将为克隆控制玉米产量性状基因奠定基础。     

玉米耐深播相关性状的全基因组关联分析

在干旱、半干旱地区,培育耐深播玉米品种对于玉米生产有十分重要的意义。对165份玉米自交系中胚轴长等耐深播相关性状进行调查,结合平均分布于玉米基因组的41101个单核等酸多态性(SNP)标记进行全基因组关联分析,筛选出5个与性状显著关联的SNP(P＜0.0001),分别位于染色体bin10.03和bins.04。对候选基因分析发现,其中4个SNP编码产物分别为酞基载体蛋白、含plus-3结构域蛋白、含FAD结构域蛋白和过氧化物酶亚家族蛋白。研究将为耐深播性状相关基因的克隆莫定基础。     

基于全基因组关联分析解析玉米籽粒大小的遗传结构

玉米籽粒大小是产量重要构成因子之一,也是受多基因调控的复杂数量性状,挖掘玉米籽粒大小相关性状的关键调控基因,将有助于提高玉米的产量。本研究以212份优良玉米自交系为材料,于2018年和2019年分别对粒长、粒宽和粒厚进行测定,并结合均匀分布于玉米基因组的73,006个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)标记进行全基因组关联分析。基于FarmCPU算法,在玉米的10条染色体上检测到47个与籽粒大小相关性状关联的SNP。结合B73玉米自交系籽粒发育的动态时空转录数据,在显著SNP标记的连锁不平衡区域内,共检测到58个与籽粒大小相关的候选基因,其编码的蛋白与多种蛋白存在互作关系,参与并调控多个与籽粒发育密切相关的生物学过程。本研究为解析玉米籽粒发育的分子调控机制,改良籽粒大小和提高作物产量提供了新的参考。     

利用高通量测序快速定位目标性状位点的研究

为了快速鉴定目标性状遗传位点,开发与性状连锁的分子标记,用于剔除高世代选育株行中不利性状,从而加速育种进程。以大豆MS轮回群体中发生花色分离的F_6株行为研究材料,利用其衍生的F_(6∶7)中20个紫花和17个白花纯合家系分别构建2个DNA混池,通过高通量重测序技术获得变异信息,明确SNP富集区,并在SNP富集区内开发分子标记对目标性状进行连锁分析。结果显示,在2个DNA混池间发现329 992个SNP位点,表明混池间的遗传背景已经非常相似,但未发现明显SNP富集区,表明可能存在较多假阳性位点;进一步对高质量(Quality100)的SNP变异位点进行筛选,并去除杂合SNP位点,最终获得3 371个可信位点。其中,位于13号染色上的SNP变异有700个(占比20.77%),并在20～30 Mb的物理区间形成一个最大的SNP富集区,推测调控花色的W1位点可能位于此区间内。利用该区间内SNP信息开发出dCAPS-1、dCAPS-2分子标记,连锁分析结果显示其与W1位点紧密连锁(W1-(0.4 cM)-dCAPS-1-(2.3 cM)-dCAPS-2),表明W1位点位于SNP富集区内。综上所述,通过构建高世代株行的分离群体混池,利用高通量测序方法可以快速定位控制目标性状的遗传位点,且开发的dCAPS标记可以有效剔除不利性状,从而加速遗传育种进程。     

大豆种质资源叶型和荚粒性状的关系及与SSR标记的关联分析

选用167份国内外大豆品种资源材料,依据叶长/宽比值将其划分为宽叶型和窄叶型, 分析叶型相关性状与荚粒性状的相关性,结果表明叶宽、叶长/宽比均与每荚粒数显著相关(r = –0.69和0.64,P<0.001)。选用均匀分布于大豆20条连锁群上的65个SSR标记分析资源材料的群体结构,并用目标区间内13个SSR标记与叶型相关性状和荚粒性状进行关联分析, 结果显示,标记20-285与每荚粒数显著关联,推测控制每荚粒数的基因可能位于标记20-285附近;标记20-26和20-45间的标记几乎都与叶长/宽比存在显著的关联性,推测控制叶型的基因位于标记20-26和20-45之间。相关分析和关联分析证实大豆叶型与荚粒性状存在密切关系,并缩小了每荚粒数和叶型候选基因的区间。     

玉米籽粒颜色全基因组关联分析

籽粒颜色是玉米重要的性状之一,籽粒色素影响玉米的营养价值和商品品质,解析其遗传机制对玉米优良种质选育至关重要。本研究以244份玉米优良自交系为材料,分析其籽粒颜色的遗传变异规律,并利用覆盖玉米全基因组的913万个SNP标记,开展籽粒颜色的全基因组关联分析,以期初步解析玉米籽粒颜色的遗传学基础。结果显示,共检测到258个SNP位点与玉米籽粒颜色性状紧密关联,其中与Level、R、G、B、Gray和RGB性状显著关联的SNP位点(Sig SNP)分别有27、11、7、197、5和11个,且有6个位点/区间(meta SNP)被至少2个性状同时定位到。所有显著性SNP位点附近共定位到482个候选基因,其中37个候选基因位于meta SNP区域,控制玉米黄白粒的Y1基因和类胡萝卜素合成的DXS3基因被籽粒颜色B值定位到。本研究结果可为进一步筛选控制籽粒颜色的基因和指导籽粒颜色选择育种提供理论基础。     

玉米籽粒淀粉含量全基因组关联分析和候选基因预测

玉米是重要的粮食作物,其籽粒重量的70%来自于淀粉。淀粉不仅是人类及其他动物的主要能量来源,同时也是化工等行业的重要原料。本研究利用711份玉米自交系作为关联群体,对2个环境下玉米籽粒湿基淀粉含量和干基淀粉含量进行统计分析,结合覆盖玉米全基因组的2799个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)标记,通过FarmCPU模型对玉米籽粒淀粉含量性状开展全基因组关联分析(genome-wideassociationstudy,GWAS),共关联到67个显著SNP位点,其中23个高可信度显著SNP位点可在多个环境重复检测到。3个高可信度SNP标记位点为本研究首次发现与玉米籽粒淀粉含量相关,其余20个SNP标记位于前人已定位QTL(quantitative trait locus)置信区间或/和已报道与籽粒淀粉含量显著相关SNP标记1Mb之内。进一步通过基因功能注释、基因本体论(gene ontology, GO)分析及籽粒胚乳基因表达分析,在23个高可信度显著SNP位点上下游各200 kb候选区间共挖掘45个重要候选基因,涉及淀粉生物合成与代谢、...     

两种密度条件下玉米雄穗分枝数全基因组关联分析

玉米雄穗分枝数是产量的重要影响因子之一。为剖析高、低两种密度条件下雄穗分枝数的遗传基础,以248份优良玉米自交系构成的自然群体为研究材料,2014年和2015年分别在高、低两种密度条件(105 000株/公顷, 75 000株/公顷)进行雄穗分枝数的表型鉴定。利用R软件中的‘lme4’程序包对雄穗分枝数的最优线性无偏估计值(BLUP)进行计算,结合分布于全基因组的10 684个单核苷酸多态性(SNPs)标记进行全基因组关联分析。结果表明,随着种植密度的增加,雄穗分枝数有减少的趋势,且两种密度条件下遗传力均较高。同时,两种密度条件下共检测到26个与其显著关联的SNP位点,分布于玉米1号、2号、3号、5号、6号、7号、8号、9号、10号染色体。其中,低密条件下检测到12个SNP位点,高密条件下检测到14个SNP位点,5个SNP位点在两种密度条件下均被检测到,6个SNP位点在高密条件下单个位点解释的表型变异大于10%。除此之外,并确定了4个候选基因,编码产物分别为含CHASE结构域的组氨酸激酶(Histidine kinase)蛋白,富含亮氨酸重复序列(leucine rich repeat, LRR)的蛋白,含有ZF-HD结构域的蛋白和磷酸果糖激酶。采用全基因组关联分析,挖掘在两种密度条件下均检测到的与雄穗分枝数显著相关的一致性可靠标记位点以及在高密条件下特异表达且单个位点解释的表型变异均大于10%的SNP位点,并鉴定相关候选基因,为不同密度条件玉米雄穗性状相关基因的克隆提供关键的理论依据。     

玉米产量相关性状Meta-QTL及候选基因分析

借助IBM2 2008 Neighbors高密度玉米遗传图谱整合了1994—2012年文献发表的玉米产量性状(穗行数、行粒数、粒重)584个QTL。采用元分析方法,确定了22个穗行数、7个行粒数和44个粒重Meta-QTL。根据B73基因组序列进行产量相关基因的重定位,在Meta-QTL区段内分别获得10个玉米产量基因和12个与水稻7个产量基因同源的候选基因,分别位于玉米染色体Bins 1.04、1.06、1.07、2.04、2.06、3.04、4.05、4.07、4.09、5.03、5.04、5.05、7.02、8.03、9.03、10.06和10.07。玉米产量性状Meta-QTL及相关候选基因分析可以为分子标记辅助育种和基因克隆提供有用的信息。     

野生二粒小麦主要农艺特性融入普通小麦的全基因组关联分析

野生二粒小麦(Triticum turgidum ssp.dicoccoides)是普通小麦的四倍体祖先种,具有广泛的基因型变异,是改良普通小麦的重要种质资源。本研究对不同年份和地点四个环境下的161份野生二粒小麦渗入系材料的株高、分蘖数、小穗数、抽穗期、开花期和千粒重进行表型鉴定,并利用覆盖全基因组的13,116个DArT标记对各农艺性状进行全基因组关联分析,以期发掘性状显著关联标记及相关候选基因。本研究共检测到147个与6个农艺性状相关的稳定标记。其中,一些关联标记与抽穗期和开花期同时相关,并且在2B染色体上聚集成簇。在野生二粒小麦渗入系群体中共推定了21个与农艺性状相关的候选基因,其中位于7A染色体与千粒重显著相关的候选基因与细胞周期蛋白有关。这些标记和候选基因可为克隆优异农艺性状相关基因提供重要信息,从而为野生二粒小麦在普通小麦背景中的遗传改良综合利用提供依据与指导。     

Genome-wide association study of field grain drying rate after physiological maturity based on a resequencing approach in elite maize germplasm

Field grain drying rate (FDR) after physiological maturity in maize (Zea mays L.) is an essential determinant of grain moisture at harvest. Investigating the genetic structure of FDR is of great significance to breeding maize hybrids with low grain moisture at harvest that are suitable for mechanical harvesting. In this study, 80 elite maize inbred lines from Jilin Province (China) were selected as an association population, and their FDR after physiological maturity was determined by the oven-drying method in 2014 and 2015. At the same time, whole-genome resequencing was performed for the association population, and 1,490,007 high-quality single nucleotide polymorphisms (SNPs) were obtained for a subsequent genome-wide association study. The results showed high genetic variation for FDR in different maize inbred lines, with a broad-sense heritability of 0.76, indicating that the trait is mainly controlled by genetic factors. Thirteen independent genomic positions, which contain 19 SNP markers significantly associated with FDR in maize (P < 0.000001), were detected by a genome-wide association study in 2014 and 2015. Seven genomic positions were located within the quantitative trait loci previously mapped for FDR, whereas one position was detected in both years by association analysis. Six candidate genes located in chromosome bins 4.05, 5.04 and 7.02 were identified within the 13 genomic positions. These genes were predicted to encode vegetative cell wall gp1-like glycoprotein, phosphopyruvate hydratase, mitochondrial inner membrane protease subunit 1-like protein, Cucumber mosaic virus 1a interacting protein 1 and two hypothetical proteins, which may be closely associated with FDR. The results lay a foundation for molecular marker-assisted selection of maize materials with rapid grain drying and for the cloning of relevant functional genes.     

玉米四交群体穗部性状的相关及通径分析

为了研究玉米穗部性状的分离特征,采用玉米杂交种‘先玉335’的双亲‘PH6WC’、‘PH4CV’和‘郑单958’的双亲‘郑58’、‘昌7-2’杂交组配了四交F₂分离群体,对11个穗部性状进行了表型鉴定,并对其进行了相关分析和通径分析。结果显示：穗部各性状变异系数较大,变异系数为7.68%~96.27%,尤其秃尖长变异系数达到了96.27%;穗粒重与穗长、穗粗、穗行数、行粒数、粒长、粒厚、轴粗、百粒重呈极显著或显著正相关;行粒数、百粒重、穗行数、穗长和粒厚对穗粒重的直接通径系数为较大正效应,而粒宽和秃尖长为较大负效应。本研究可为玉米穗部性状的改良提供参考。     

不同密度下玉米穗部性状的QTL分析

为研究玉米穗部性状对不同种植密度的遗传响应,以郑58和HD568为亲本构建的220个重组自交系群体为材料,于2014年春、2014年冬及2015年春分别在北京和海南进行3个种植密度的田间试验,调查玉米穗长、穗粗、穗行数和行粒数等表型性状。利用SAS软件计算穗部性状的最优线性无偏估计值(BLUP),并采用完备区间作图法进行QTL定位。结果表明,在3个种植密度下共检测到42个QTL,单个QTL可解释4.20%~14.07%的表型变异。3个种植密度下同时检测到位于第2染色体上控制穗行数的QTL。2个种植密度下同时检测到4个与穗粗、穗行数和行粒数有关的QTL,其中第4染色体上1个与穗行数有关的主效QTL,在低、中种植密度下可分别解释表型变异的10.88%和14.07%。此外,在第2、4和9染色体上检测到3个同时调控不同穗部性状的QTL。研究结果表明玉米穗部性状在不同种植密度下的遗传调控发生变化,在不同密度下共同检测到的稳定QTL可应用于精细定位或开发玉米耐密性分子标记用于辅助育种。     

玉米产量及产量相关性状QTL的图谱整合

利用生物信息学方法,借助高密度分子标记遗传图谱IBM2 2008 neighbors,利用图谱映射和元分析的方法,对不同试验中定位的400个玉米产量及产量相关性状QTL进行了图谱整合,构建了玉米产量及产量相关性状QTL的综合图谱和一致性图谱。结果表明,玉米产量及产量相关性状QTL在10条染色体上呈非均匀分布,第1染色体上最多,第10染色体上最少;发掘出96个玉米产量及产量相关性状的“一致性”QTL;关联性较强的产量性状的QTL常集中在相同或相近的座位上。     

12个玉米群体的主要农艺性状与产量、品质的灰色关联度分析

为了明确玉米群体主要农艺性状与产量、营养品质的关系,应用灰色关联度分析方法对12个玉米群体的主要农艺性状、产量、营养品质等进行了灰色关联度分析。结果表明:与产量密切相关的农艺性状是出籽率、行粒数、穗粗、百粒质量、株高等;与粗蛋白、粗脂肪、粗淀粉和赖氨酸含量等营养品质密切相关的农艺性状是穗粒数、百粒质量、行粒数、出籽率、穗行数等。根据玉米群体主要农艺性状间的灰色关联度关系,说明在玉米群体产量、营养品质改良的过程中,在保证适当株高的前提下,要注重选育出籽率、百粒质量较高品种,同时不要忽略对玉米群体穗行数、行粒数、穗粗的选择,为选育高产、优质玉米新品种提供科学依据。     

春玉米农艺性状及养分积累动态对水溶肥管理的响应

探索东北半干旱区春玉米的最佳水溶肥管理措施是实现节肥增产的有效途径。试验在覆膜滴灌大田条件下,以‘迪卡159’为试验对象,研究吉林省西部半干旱区春玉米农艺性状及养分积累动态对水溶肥管理的响应。相关性和通径分析表明,产量(Y)与各农艺性状的相关关系由强到弱依次为行粒数(X₄)>穗粗(X₁)>穗行数(X₃)>穗长(X₂)>百粒重(X₅)。产量与穗行数和行粒数的最优回归方程为Y=-14878.79+465.886X₄+855.646X₃(R²=0.863,F=18.92)。同时,氮、磷、钾肥均追施4次不仅有利于春玉米穗粗、穗长、穗行数、行粒数和百粒重的增加,还能促进出苗63天后氮、磷、钾养分的积累与分配。在水溶肥用量与施肥方式相同的基础上,分次追施氮、磷、钾肥对春玉米产量的提高至关重要。     

Quantitative trait loci mapping of maize (Zea mays) ear traits under low-phosphorus stress

We constructed an F_2:3 population of 180 individuals from a cross between the maize genotypes 082 (high phosphorus use efficiency) and Ye107 (low phosphorus use efficiency). We used the population to perform quantitative trait loci (QTL) mapping for eight ear traits (ear diameter [ED], ear length [EL], ear weight [EW], ear kernel weight [EKW], row number per ear [ERN], bald tip length [BTL], kernel number per row [RKN] and number of seeds per plant [NSP]) in three low-phosphorus environments. A total of 36 QTL for ear traits were detected in at least one of three single environments and were located on all maize chromosomes except for chromosome 10; the explained phenotypic variation ranged from 5.91% to 12.80%. The QTL JAqEKW5-1, JAqEL3-1, JAqEW1-1, JAqBTL1-1 and JAqNSP5-2 were identified and stably expressed in single-environment and joint-environment analyses. Some novel QTL that have not been reported previously were also detected. Most of the identified QTL had stable effects in all low-phosphorus environments, suggesting that they may be useful for molecular breeding to develop low-phosphorus tolerant maize varieties.     

不同玉米种质材料植株与穗粒性状的灰色关联度分析

为了掌握生产上广泛使用的12个玉米单交种的主要农艺性状间的关系,对被测试材料的植株、穗粒、产量以及品质性状进行了灰色关联度分析。结果表明：与产量密切相关的植株与穗粒性状是出籽率、行粒数、穗粗、穗粒重、百粒重等,其关联度在0.4353~0.3327。与粗蛋白、粗脂肪、粗淀粉和赖氨酸含量等营养品质密切相关的植株与穗粒性状是出籽率、株高、穗长、轴粗、行粒数等,其关联度在0.5106~0.3929。综上所述,对于不同玉米种质材料进行遗传改良宜在保证正常生长的前提下,优先对出籽率、百粒重进行选择,还要注重对株高、穗长、轴粗、行粒数等性状的选择,进而提高育种效率。