利用分子标记技术对玉米自交系子粒油分的改良研究

高油玉米是指子粒油分含量高于6%的玉米,是一种优良的粮油饲兼用型作物。高油玉米自交系By804含有qHO1和qHO6两个提高子粒油分的主效QTL。以By804为供体,利用分子辅助选择技术,结合田间农艺性状鉴定及核磁共振油分检测,将2个主效QTL分别回交转育至普通玉米自交系lx9801、lx03-2及lx00-1中。结果表明：来自By804的2个QTL均表现为随着回交次数的增加,子粒含油量较轮回亲本提高幅度逐步降低;不同遗传背景对QTL效应有较大影响：2个QTL在不同自交系的效应均以lx9801最佳,转育目标QTL后自交系绝对含油量较轮回亲本平均增加0.72%;2个位点效应相比,qHO6对子粒含油量的改良效果较优,3个自交系的改良系平均绝对含油量增加0.58%。     

高油和普通玉米自交系类胡萝卜素和生育酚含量的比较分析

建立了利用高效液相色谱法同时测定玉米籽粒类胡萝卜素和生育酚各组分含量的技术体系,分析了112份黄色胚乳玉米自交系的类胡萝卜素和生育酚含量,其中包括32份高油自交系和80份在生产上广泛应用的普通玉米自交系。结果表明,不同自交系间存在广泛的变异,各组分含量变幅最大的是α-生育酚,含量相差达162倍;变幅最小的是δ-生育酚,含量相差也接近4倍。类胡萝卜素各组分含量在高油和普通玉米自交系之间并没有显著差异,但普通玉米的变异范围更为广泛;高油玉米生育酚各组分含量显著高于普通玉米,其中γ-生育酚、α-生育酚和总生育酚含量的均值分别是普通玉米均值的2.4、2.5和2.4倍。尽管供试的高油玉米材料仅32份,但其生育酚的某些组分比普通玉米具有更广泛的遗传变异。这为进一步的玉米高油、高维生素A原、高维生素E,即“三高”品质成分育种提供了有益参考。     

几个高油与普通玉米自交系子粒品质性状的配合力分析

高油玉米杂交种由高油玉米自交系和普通玉米自交系杂交组配而成,高油玉米育种的核心仍然是杂种优势的利用。为了高油玉米育种的亲本选择和组合配制提供理论依据,以3份高油玉米新种质为父本,自选的4份普通自交系为母本,采用不完全双列杂交设计组配12个F1组合为供试材料,对其子粒油分、蛋白质和淀粉含量进行配合力分析。结果表明:不同的自交系,不同品质性状的配合力表现不同。XGY003、YZ141B、H195-2具有油分含量一般配合力较高的自交系。C279、YZ141B、H195-2自交系的蛋白质一般配合力较高。XGY003、XGY020、C279、H78-3自交系的淀粉一般配合力较高。一般配合力高的亲本,容易产生特殊配合力高的组合,但双亲的一般配合力较高的也不一定组合的特殊配合力就高。本试验没有发现3个品质性状一般配合力效应值都高的自交系。综合看来,3份高油玉米种质中XGY003油分含量一般配合力效应值较高,4份普通自交系中YZ141B、H195-2油分含量一般配合力效应值较高,这3个自交系在长治地区玉米育种中可作为高油玉米自交系加大利用,以选出油分含量较高的优势组合。C279、YZ141B、H195-2自交系的蛋白质一般配合力较高,XGY003、XGY020、C279、H78-3自交系的淀粉一般配合力较高,在以后玉米育种中可作为特用玉米自交系作进一步的改良和应用。     

玉米胚大小及其相关性状的QTL分析

胚大小在调控玉米籽粒营养组成及籽粒大小方面扮演着重要角色,解析玉米胚大小自然变异的遗传基础对玉米籽粒品质和产量的协同改良具有重要意义。本研究利用由普通玉米自交系B73和高油玉米自交系By804组配的RIL群体,结合高密度的SNP遗传图谱同时对玉米胚大小、籽粒大小和油分等15个性状进行QTL定位分析,共鉴定到82个QTL,包括38个胚大小性状QTL、23个籽粒大小性状QTL和21个油分性状QTL。每个QTL解释的表型变异范围为2.50%～26.32%,平均为7.94%。QTL的置信区间变幅为0.3～52.8 Mb,平均长度为11.6 Mb;置信区间小于5、10和20 Mb的QTL占所有QTL的比例分别为32.9%、58.5%和79.3%。对检测到的QTL位点进行共定位分析鉴定到15个QTL热点区域,其中10个热点区域至少调控胚大小、籽粒大小、油分等三类性状中的两类,5个QTL热点区域只控制一类性状。在上述热点区域内,鉴定到已克隆的控制玉米籽粒油分的主效基因DGAT1-2和影响籽粒发育的基因Dek15。这些结果为玉米籽粒品质改良提供了重要信息。     

玉米2C型丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶(PP2C)活性与耐旱性的关系

在先期研究的基础上, 结合运用电子克隆和反转录PCR技术克隆玉米PP2C基因的全长cDNA序列, 再分别应用实时荧光定量PCR和非放射性标记法, 测定干旱胁迫条件下耐旱性不同的自交系PP2C基因的mRNA表达差异和酶活性差异, 以探讨PP2C酶活性与玉米耐旱性的关系。结果表明, 我们克隆的全长cDNA序列为玉米PP2C基因家族的新成员, 开放阅读框长1 164 bp, 编码388个氨基酸残基。将这一基因命名为ZmPP2Ca, GenBank注册号为EF195257。在干旱胁迫条件下, 该基因在耐旱自交系中下调表达, 使PP2C酶活性降低; 在不耐旱自交系中上调表达, 使PP2C酶活性升高。ZmPP2Ca基因的差异表达以及由此引起的PP2C酶活性差异, 可能与干旱胁迫条件下玉米细胞的信号传导有关。     

高油玉米自交系的培育与改良

一、高油玉米自交系培育的历史与状况卑在40年代,美国伊利诺埃大学的C.M.伍德俄士(WoodWorth)和R.W.尤根海麦(Jugen-heimer)把普通玉米自交系与伊利诺埃高油(IHO)系进行杂交,接着进行几次回交和自交,结合对大胚面籽粒的选择,把一批普通玉米自交系,如WF₉、L₃₁₇和B₃₇等转换成了高油系。这些系原来的含油量为2~5%,新转育的高油系达4~10%。     

应用SSR标记构建高油玉米籽粒含油量的QTL图谱

高油玉米越来越受到人们的关注。本试验研究了北京高油种质（BHO）籽粒含油量的QTL及其遗传效应。我们将源于高油群体（BHO Cycle 13）的高油自交系By804与一个重要常规自交系杂交，构建了包含450个个体的F2群体。用核磁共振（NMR）测定F2或F3种子的单粒含油量。选用150个共显性SSR标记构建长1759．1cM、平均问隔11．65cM的遗传连锁图。共构建了20个与籽粒含油量有关的QTL图谱，LOD临介值为3．54。在F2和F，种子中同时检测到的有6个QTL，占总图谱QTL的30％，而另外14个QTL则是在单个子代中检测出的。单个QTL占表型变异比例的幅度为2．31—17．51％。     

玉米光周期敏感类Hd6基因的克隆和实时定量表达分析

水稻Hd6基因在调节水稻光周期敏感中起重要作用。本研究以热带玉米自交系CML288为材料, 利用同源基因克隆法结合3¢RACE技术克隆了与水稻Hd6基因同源的玉米类Hd6基因。该基因序列中999 bp的开放阅读框可编码332个氨基酸。BLAST分析发现, 该基因与玉米中编码蛋白激酶CK2的一个基因高度同源, 所推测的氨基酸序列包含2个CK2活性区域, 1个N末端区域, 1个ATP结合位点和1个丝氨酸/ 苏氨酸蛋白质激酶活性位点,与玉米、小麦、水稻和拟南芥的CK2氨基酸序列也有较高的同源性。建立了SYBR GREEN法实时荧光定量RT-PCR表达分析系统, 研究了不同光周期处理下类Hd6基因在光周期敏感自交系CML288茎尖和叶片中的表达。结果发现, 该基因在茎尖和叶片中均有表达。在短日条件下, 该基因在6~8叶期茎尖中的表达量存在明显差异, 在光周期敏感的7叶期出现表达高峰, 在叶片中的表达量均低于茎尖。在长日条件下, 该基因在茎尖中6叶期表达量较低, 在光周期敏感的9叶期在叶片中高量表达。由此可推测, 该基因与玉米光周期敏感密切相关, 可能在光周期敏感调节过程中发挥一定的作用。     

玉米冷响应基因ZmCyp40克隆及其遗传转化

从抗冷玉米自交系W9816中克隆冷响应基因ZmCyp40,对该基因进行序列分析,发现其编码389个氨基酸,与高粱中的同源基因亲缘关系较近。qRT-PCR分析玉米自交系W9816低温(4℃)处理0 h、3 h、6 h、12 h、24 h和48 h后其根、茎、叶中基因ZmCyp40表达情况,发现ZmCyp40在玉米不同部位冷响应表达趋势不同,但均受冷诱导表达。构建ZmCyp40过表达载体,采用农杆菌介导法转化玉米优良自交系Y423的幼胚和愈伤。PCR检测转化植株,ZmCyp40阳性植株率为5.9%。qRT-PCR分析发现部分阳性植株中ZmCyp40基因的表达量有极显著的升高,可用于进一步的功能分析及玉米抗冷性状的遗传改良。     

玉米Opaque-2基因内3个SSR位点的显性等位变异及其对赖氨酸含量的影响

以10个O2O2基因型的普通玉米自交系和3个o2o2基因型的高赖氨酸玉米自交系为材料,用3对O2基因内SSR引物phi112、umc1066和phi057进行PCR扩增产物电泳图谱分析和特异片段序列比较分析,以期了解O2位点显性等位变异对赖氨酸含量的影响。结果表明,玉米phi112、umc1066和phi057三个SSR位点均有丰富的显性等位变异,phi112位点的变异主要发生在其SSR序列的两侧,umc1066和phi057两位点的变异主要表现为SSR序列内部重复数目的变化和点突变。这些变异均对玉米籽粒的赖氨酸含量有影响。还讨论了这些显性等位变异影响O2基因的转录效率及其翻译产物对激活玉米醇溶蛋白合成能力改变的可能机制。     

Mapping and validation of the quantitative trait loci for leaf stay‐green‐associated parameters in maize

Functional stay‐green is generally regarded as a desirable trait of varieties in major crops including maize. In this study, we used an F_3:4 recombinant inbred line population with 165 lines from a cross between a stay‐green inbred line (Zheng58) and a model inbred line (B73) using 211 polymorphic simple sequence repeat markers to map quantitative trait loci for three stay‐green‐associated parameters, chlorophyll content, photosystem II photochemical efficiency and stay‐green area, at maturity stage, detected a total of 23 quantitative trait loci (QTL) on nine chromosomes. Single QTL explained 3.7–13.5% of the phenotypic variance. Additionally, we validated some important stay‐green QTL using a heterogeneous inbred family approach and found that the stay‐green‐associated parameters were significantly correlated with the plant yield. This study may contribute to a better insight into the regulatory mechanism behind leaf stay‐green in maize and a novel development of elite maize varieties with delayed leaf senescence through molecular marker‐assisted selection.     

waxy基因功能标记开发及在糯玉米育种中的应用

为利用分子标记辅助选择加快糯玉米种质资源改良进程,以糯玉米自交系云539和普通玉米自交系昌7-2为材料,通过DNA序列测定和分析,探明糯玉米自交系云539 wx基因属于wx-D7突变类型。根据2个自交系基因组序列差异,开发出waxy基因功能标记FMD7,并通过了表型验证和通用性验证。利用开发的基因功能标记FMD7进行分子标记辅助选择,结合产量、株型和品质性状分析,获得携带wx基因的优良昌7-2改良系6个。利用本研究开发的基因功能标记FMD7进行辅助选择可加快回交转育进程,提高育种效率,为选育高产糯玉米杂交种提供材料基础,同时也为分子标记辅助选择单基因或少数主效基因控制的性状提供理论参考。     

我国部分玉米自交系遗传关系和遗传结构解析

玉米自交系遗传关系和遗传结构的解析,对自交系类群划分和杂交组配具有重要的指导意义。本文选用玉米基因组的112个SSR标记对我国97个玉米自交系进行遗传关系和遗传结构分析,并评价了遗传距离聚类和模型聚类方法在玉米自交系遗传关系研究中的应用价值。结果表明,模型聚类方法更适于玉米自交系的遗传关系研究。解析自交系的遗传基础发现,各类群中均有大量自交系含有其他类群的遗传成分。根据模型聚类结果,97个自交系被划分为PB、Reid、塘四平头和旅大红骨4个类群。Reid群与旅大红骨群的遗传关系最近,与塘四平头群遗传关系最远。为了实现杂种优势模式的简化,4个类群可被简化为3大种质类群[A(旅大红骨群与Reid群)、B(PB群)、C(塘四平头群)],或2大种质类群[A(旅大红骨群、Reid群、PB群)、B(塘四平头群)]。研究结果为自交系的改良和利用及杂种优势模式确定提供了理论基础。     

一个新的玉米silky1基因等位突变体的遗传分析与分子鉴定

前期试验发现一个玉米雄性不育突变体(male sterile mutant),命名为msm-6。经过连续多代杂合单株自交发现该突变体性状能稳定遗传,遗传模式分析表明该突变体为单个隐性1核基因控制。以msm-6与自交系B73杂交构建F2遗传定位群体,利用BSA (Bulk Segregant Analysis)方法,筛选到与msm-6位点连锁的4个SSR标记,即C6-24、C6-30、C6-34和C6-40。进一步采用444个F2单株对这4个连锁标记验证,将msm-6定位于标记C6-24与C6-34之间,即玉米第6染色体68.5～98.1 Mb之间。通过基因组序列信息分析发现,在此定位区间内存在一个已报道的Silky1基因。Silky1基因编码MADS-BOX蛋白,是参与花器官建成ABCD模型的B功能基因,该基因的突变会造成雄花不育、雌花花丝增多等表型。利用杂合体+/silky1-mum3与纯合突变体msm-6/msm-6杂交进行等位测验,杂交后代中正常植株与突变植株分离比例符合1∶1。基因组序列以及转录本序列分析发现,msm-6突变体中第6个内含子5'端供体位点AG/GTAAG (外显子/内含子交接处)的序列+1位G突变为C,导致第6外显子被错误剪切掉,产生了第6个外显子缺失的Silky1异常转录本。以上实验证据表明,msm-6与所报道的由mutator转座子插入造成的Silky1突变体silky1-mum2、silky1-mum3和silky1-mum4的突变方式不同,是一个新的Silky1基因等位突变体。msm-6的发现与鉴定为进一步深入解析玉米穗花器官决定的遗传机制提供丰富的实验材料,同时也为RNA加工过程中剪接位点保守性提供重要证据。     

玉米光敏色素A1与A2在各种光处理下的转录表达特性

光敏色素是一类红光/远红光受体, 它们在植物体内有非活性形式的红光吸收型(Pr)和活性形式远红光吸收型(Pfr) 2种状态, 通常其活性形式负责调控植物的种子萌发、株高、开花时间和避荫性等生长发育过程。在禾本科中, 光敏色素只有PHYA、PHYB和PHYC三个基因亚家族, 古四倍体化造成的玉米光敏色素基因有6个成员, 即PHYA1、PHYA2、PHYB1、PHYB2、PHYC1和PHYC2。光敏色素A参与抑制下胚轴的伸长、促进张开子叶和花青素的积累、阻断持续远红光条件下的变绿。为了评价ZmPHYA1和ZmPHYA2对光的响应能力及其功能差异, 本研究采用实时定量PCR技术分析玉米自交系B73和Mo17中ZmPHYA1和ZmPHYA2对不同光照处理响应的表达模式。结果表明玉米光敏色素A主要在叶片和花丝中表达, 并且ZmPHYA1转录丰度是ZmPHYA2的2~8倍; 玉米自交系B73和Mo17中胚轴在黑暗、远红光和蓝光条件下较红光和白光下更长。ZmPHYA1和ZmPHYA2的转录水平在持续远红光和蓝光条件下均较高; 并且均较迅速响应黑暗到远红光和蓝光光质转换, 但是前者的丰度显著高于后者, ZmPHYA1在远红光下更重要, 而ZmPHYA2在蓝光下更重要。ZmPHYA1和ZmPHYA2同样响应于黑暗到红光和白光的转换, 并且ZmPHYA1和ZmPHYA2表达模式基本一致。ZmPHYA1和ZmPHYA2的表达均能响应长日照和短日照处理, 但是ZmPHYA1转录丰度高于ZmPHYA2的2~5倍。以上结果表明, ZmPHYA1和ZmPHYA2的转录能有效地响应各种光处理, 可能ZmPHYA1在作物改良上比ZmPHYA2更有效。本研究为进一步了解ZmPHYA1和ZmPHYA2基因功能以及评价二者的光反应能力提供了理论基础。     

Hybrid reconstruction in maize

Summary The production of seed of the maize single cross hybrid F68^*NE2 is uneconomic because of the low grain yield of the maternal line. Therefore the aim was to produce it from newly developed inbred lines obtained by reshuffling the genes in the hybrid, accompanied by selection. Thus in open pollinating generations derived from this hybrid, i.e. in C0, C1, C2, C3 and C4, honeycomb selection for grain yield improvement was applied. Selfing of one ear and open pollination of another ear of selected prolific C4 plants yielded 20 pairs of S1/half sib progenies. Plants grown from remnant S1 seed corresponding to superior progeny pairs were selfed. In each S2-line a single plant was selected and selfed. The S3-lines were evaluated for yield. Two S3-lines, i.e. 6D and 2B, attracted attention because they yielded two and a half times as much as the best commercial inbred line B73.The S1-and S2-lines were tested for combining ability with the related inbred lines NE2 and F68 by means of honeycomb design experiments and for combining ability with unrelated, freely available inbred lines by means of randomized complete block designs. Two S2-lines, i.e. 5C and 6E, were selected for their good combining ability. The six single cross hybrids produced by crossing the four S3-lines 6D, 2B, 5C, and 6E were compared with the original hybrid F68^*NE2 in a honeycomb design at two sites. The grain yields of the single cross hybrids 6D^*6E and 5C^*6E were similar to that of F68^*NE2. However, these two reconstructed hybrids can be produced in a cheaper way because the new maternal inbred lines yield as good as B73 (line 5C) or much better (line 6D).     

玉米抗感种质资源苗期耐盐性的光合作用机制研究

土壤盐渍化程度日趋严重,成为影响作物生长发育、制约产量的一个主要环境因子,明确玉米苗期耐盐的光合作用机制尤为重要.本研究采用水培法,对已耐盐性鉴定筛选的强耐盐型自交系(B46)和盐高度敏感型自交系(NC236)为材料,分析二者在盐胁迫条件下光合作用的变化.低浓度盐(55 mmol/L NaCl)胁迫条件可促进玉米自交系...     

RNA干扰水稻SBE3基因的表达对籽粒淀粉合成及其关键酶活性的影响

为探讨RNA干扰水稻SBE3基因的表达对籽粒淀粉合成及其关键酶活性的影响,以水稻品种中花11及以其为受体的转基因株系为材料,分别检测水稻SBE3基因的表达、籽粒发育各时期淀粉合成关键酶活性变化及直链、支链淀粉相对含量。结果表明,导入的SBE3基因RNA干扰结构成功地降低了目的基因的表达,并使其酶活性在籽粒发育各时期均显著降低并提前3 d达高峰期,且不同株系间具有差异。同时也使不同发育时期籽粒的ADPG-PPase和SSS及DBE活性均不同程度地显著降低,尤其以SSS和ADPG-PPase活性峰值降幅最大。此外,两个转基因水稻株系各时期籽粒直链淀粉含量均显著高于对照,而其成熟籽粒千粒重却显著降低,直链淀粉含量越高,千粒重越轻。