玉米穗轴粗全基因组关联分析

玉米穗轴粗是一个影响玉米产量和穗轴产量的重要性状,其遗传机制的解析可以对高产育种提供指导。本研究以309份玉米自交系为材料,利用测序基因型分型技术对其进行基因型鉴定。采用FarmCPU(fixed and random model circulating probability unification)、MLMM (multiple loci mixed linear model)和CMLM (compressed mixed linear model)方法,对2017年和2019年河南原阳、河南郸城、河南虞城、海南三亚以及最佳线性无偏估计值环境的穗轴粗,进行全基因组关联分析,共鉴定12个与穗轴粗显著关联的SNP (single nucleotide polymorphisms)(P<8.60E-07)。其中,S4₂9277313利用FarmCPU和MLMM方法在2017年原阳均检测到。S1₂9006330、S2₁70889116、S2₂046026464和S4₈3821...     

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。     

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。     

玉米穗位高全基因组关联分析及其候选基因预测

利用41 101个SNP标记对159份我国玉米自交系进行全基因组分析.通过控制群体结构和亲缘关系,采取混合线性模型,检测到7个与穗位高显著相关SNP(P ＜0.0001),并确定7个候选基因,其注释功能有GABA-B受体活性、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性、组蛋白-赖氨酸N-甲基转移酶活性、转运活性、翻译起始因子活性和酰胺基tRNA水解酶活性.利用BioMercator2-1软件将收集的137个稳位高QTL整合至IBM2 2008Neighbors玉米遗传图谱上,确定19个“一致性”QTL,结合分析7个与穗位高显著相关的SNP位点信息,获得2个候选基因.     

玉米花期性状的全基因组关联分析

花期性状是玉米的重要性状,与熟期、散粉结实率和产量关系密切,对玉米品种选育至关重要。为探究玉米花期性状的遗传基础,本研究以248份遗传多样性丰富的玉米自交系作为关联群体,通过2017年和2018年在河北保定和辛集的田间试验调查抽雄期、散粉期、吐丝期和散粉吐丝间隔期4个花期相关性状,利用分布于全基因组的83057个SNP标记进行关联分析。结果表明,4个花期相关性状的基因型、年份、地点、基因型与地点的互作、基因型与年份的互作均达到极显著水平;抽雄期、散粉期、吐丝期的遗传率分别为71.77%、71.27%、73.93%,并且两两性状间呈极显著正相关,散粉吐丝间隔期遗传率为62.50%,仅与吐丝期呈极显著正相关;4个花期性状共检测到18个SNPs-性状关联(共涉及16个SNP位点),单个位点的表型贡献率范围为5.46%~28.36%,仅1个位点在不同性状中检测到;筛选到81个候选基因,其中36个在GO分析中具有功能注释。潜在候选基因GRMZM5G877647编码early flowering 4蛋白,参与光周期的调节;GRMZM2G173630编码类赤霉素受体蛋白参与植物激素信号转导;GRMZM2G001139、GRMZM2G375707编码与花器官建成的MADS转录因子。这些潜在候选基因为解析玉米花期性状遗传基础和分子辅助选择育种提供参考。     

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、...     

玉米棒三叶叶型性状的全基因组关联分析

玉米棒三叶(穗上叶,穗叶及穗下叶)对玉米单产的形成起着至关重要的作用,为了深入剖析玉米各性状的遗传基础及挖掘相关性状的基因,本研究以253份玉米自交系为关联群体,利用分布于玉米全基因组上的558 529个单核苷酸多态性标记(SNPs)对玉米棒三叶的叶长、叶宽及叶面积进行全基因组关联分析。结果表明,通过对关联群体性状进行统计可知,不同性状变异系数在17.00%～31.00%,变异丰富;且各性状的峰度和偏度都在-1～1之间,呈典型的数量性状遗传;方差分析也表明,各性状在基因型间都达到极显著差异;相关性分析及层次聚类分析发现,关联群体的各性状间均呈现显著或极显著(P<0.05或P<0.01)正相关关系,且各性状间共同影响着玉米干物质的积累。由主成分分析(principal component analysis, PCA)可知,在棒三叶叶长、叶宽及叶面积间可筛选出对总体方差累计贡献率达89.436%的两个主成分,表明这两个主成可以代表棒三叶叶型性状的绝大多数信息。以P≤3.99×10^-6为显著阙值,利用Q模型对供试群体进行关联分析,在玉米叶长、叶宽及叶面积间共...     

玉米株高和穗位高性状全基因组关联分析

适宜的株高和穗位高可提高植株的养分利用效率及抗倒伏性,对玉米增产和稳产具有重要意义。为揭示玉米株高和穗位高遗传机制,本研究以854份玉米自交系为关联群体,利用均匀分布于玉米10条染色体的2795个SNP标记对4个环境下玉米株高、穗位高以及穗位系数进行全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)。共定位到81个显著关联SNP位点(P<0.0001),其中与株高显著关联的SNP为35个,单个位点表型解释率为0.02%～6.23%;与穗位高显著关联SNP为31个,单个位点表型变异解释率为0.03%～3.06%;与穗位系数显著关联的SNP位点为24个,单个位点表型变异解释率为0.03%～6.64%。进一步鉴定出15个可在2个及以上环境共定位的稳定SNP,其中6个为本研究首次发现, 9个位于前人定位QTL区间或/和关联SNP位点2 Mb范围内。在15个稳定SNP位点上下游各200kb的置信区间共发现83个功能注释基因,结合文献分析筛选出了每个位点最有可能的候选基因,这些候选基因主要参与激素合成与信号转导、糖类代谢、细胞分裂调控等途径。鉴定出6个...     

玉米种子萌发相关性状的全基因组关联分析

种子萌发是出苗的前提, 对玉米产量影响重大。为了解玉米种子萌发相关性状的遗传机制, 本研究对476份玉米自交系种子萌发相关的6个性状进行调查, 结合125万个(1.25M) SNP标记, 利用3种统计模型(Q, K, Q+K)进行全基因关联分析(GWAS)。结果表明K模型能够较好地评价吸胀前重量、吸胀前体积、吸胀后重量、吸胀后体积和吸胀体积5个性状; Q+K模型能更好地评价吸胀重量性状。基于这6个性状的最优模型的GWAS结果, 共检测到15个种子萌发相关性状的显著SNP, 15个SNP对应6个QTL, 集中分布在玉米第3、第6、第7和第10染色体上, QTL内单个SNP能解释的表型变异为5.09%~7.85%。其中5个QTL可在多个生物学重复中被检测到。以最显著SNP所在基因或附近基因作为QTL的候选基因, 共筛选到6个最可能的候选基因。GRMZM2G148411是吸胀后重量、吸胀重量和吸胀体积3个性状共同鉴定到的QTL候选基因, 根据基因的功能注释, 该基因编码一个包含TLD-domain的钙离子结合蛋白, 可能是一种调控种子休眠与萌发的信号分子。本研究鉴定的QTL为解析玉米种子萌发的遗传机制和相应功能标记的开发奠定了基础。     

小麦秸秆覆盖对夏玉米干物质生产及主要性状的影响

研究了小麦秸秆覆盖对夏玉米干物质生产及主要性状的影响。结果表明:与传统露地栽培相比,小麦秸秆覆盖有利于夏玉米根系的生长和干物质的积累,叶面积系数前期增长快,后期下降慢,叶面积高值持续期长,干物质积累快,穗粒数多,千粒重高,产量性状明显改善,增产显著。小麦秸秆覆盖对表土层(0～30cm)具有明显的保墒效果,尤其是夏玉米生长前期。     

小麦茎秆断裂强度相关性状QTL的连锁和关联分析

小麦茎秆断裂强度与倒伏特性关系密切,并对产量有很大影响。本研究旨在解析茎秆断裂强度的遗传机制,开发与该性状紧密连锁/关联的分子标记。利用山农01-35′藁城9411重组自交系(RIL)群体(含173个F8:9株系)和由205个品种(系)构成的自然群体,借助90 k小麦SNP基因芯片、DArT芯片及传统分子标记技术,在2个环境中对两群体的茎秆断裂强度相关性状进行连锁分析和全基因组关联分析。利用已构建的高密度连锁图谱,在4B染色体的TDURUM_CONTIG63670_287–IACX557和EX_C101685–RAC875_C27536等区段上,检测到9个控制小麦茎秆断裂强度、株高、茎秆第2节间充实度、茎秆第2节壁厚相关性状的加性QTL,可解释表型变异9.40%~36.30%。同时,利用包含24 355个SNP位点的复合遗传图谱,在自然群体中检测到37个与茎秆断裂强度相关性状(P0.0001)的标记,分别位于1A、1B、2B、2D、3A、3B、4A、4B、5A、5B、5D、6B、7A、7B和7D染色体,可解释表型变异7.76%~36.36%。在4B染色体上,以连锁分析检测到控制茎秆断裂强度的RAC875_C27536与关联分析检测到的Tdurum_contig4974_355标记,在复合遗传图谱上的距离为6.7 cM,说明该区段存在控制小麦茎秆断裂强度的重要基因。     

不同秸秆还田模式对玉米主要病害发生为害的影响

2017-2019年调查了辽宁春玉米产区不同秸秆还田模式对玉米主要病害发生为害的影响,结果表明：与传统不还田旋耕栽培模式相比,秸秆覆盖还田后玉米主要病害的发生为害最重,茎腐病发病率增加68.77%,穗腐病发病率增加20.01%,大斑病病情指数增加39.54%;秸秆碎混旋耕还田后茎腐病发病率增加48.20%,大斑病病情指数增加16.84%;秸秆田外堆置腐解后深翻还田可有效降低玉米茎腐病和穗腐病等土传病害的发生,茎腐病发病率降低41.66%,穗腐病发病率降低30.00%;秸秆还田配套不同耕作栽培模式对玉米主要病害发生为害有一定的叠加影响,免耕栽培会加剧病害发生,而深翻栽培可降低病害发生。由此可见,秸秆直接还田,特别是覆盖还田会加重玉米主要病害的发生为害,而秸秆经充分腐解处理后再还田能有效降低玉米主要病害,尤其茎腐病和穗腐病等土传病害的发生。     

秸秆还田下两种氮肥施用方式对夏玉米生长特性的影响

氮肥施用过量、肥效低下以及持续增产效果不显著一直以来制约着农业的发展。近年来,秸秆还田配施氮肥在农业生产中已经得到了广泛应用。本试验在向当地农户调查的基础上设置了传统施氮处理(300kg／hm^2),依据叶片诊断技术所确定的玉米需肥量设置了优化施氮处理(60kg／hm^2),以不施氮肥作为对照,研究了北京郊区秸秆还田下不同氮肥施用方式对夏玉米生长特性以及产量的影响。通过田间试验,得到如下结果：两种氮肥施用方式对夏玉米株高、叶面积、茎粗、节根等影响不明显;各指标均高于对照;传统施氮、优化施氮条件下夏玉米产量分别达到7297．65kg／hm^2、7385．1kg／hm^2,产量效应几乎没有差异;然而对照处理只有5485．65kg／hm^2,传统施氮、优化施氮增产达到了33．03％和34．63％;优化施氮大大减少了氮肥使用量,不仅具有良好的经济效益,而且具有良好的生态效益。     

小麦株高相关性状与SNP标记全基因组关联分析

株高是影响小麦产量和控制倒伏的重要因素,研究小麦株高相关性状的遗传机制对高产育种具有指导意义。以205份中国冬麦区小麦品种(系)为材料,利用分布于小麦全基因组的24 355个单核苷酸多态性(SNP)标记对株高相关性状进行关联分析。共发现38个与株高相关性状显著关联(P0.0001)的SNP,分布在1B、2A、2B、3A、3B、3D、4A、4B、5A和6D染色体上。其中,11个位点至少在2个环境中稳定表达,可用于开发CAPS标记。同时,发掘了一批株高性状相关基因的优异等位变异,如降低株高的等位变异Bob White_c48009_52,平均降低株高12.9 cm;控制穗下节间长的等位变异BS00039422_51-C和IAAV1698-A,分别调控穗下节间长5.9 cm和6.6 cm。本研究发掘的控制小麦株高基因位点为在分子水平上研究小麦株高复杂性状提供了有价值的参考。     

Association Mapping, QTL Mapping and Positional Cloning in Maize： Applications in Molecular Breeding

Natural variation is at the core of plant breeding. Genetic or linkage mapping is the traditional method for identifying loci/genes responsible for variati on in complex traits. More recently, association mapping or linkage disequilibrium （LD） mapping, which establishes marker-trait association in populations of unrelated individuals, is becoming an alternative approach for gene discovery （Borevitz and Nordborg, 2003; Yu and Buckler, 2006）. We have developed tools and methods for positional cloning as well as genome-wide association analysis in maize, thus enabling the molecular dissection of traits of agronomic interest.     

苗带深松条件下秸秆覆盖对春玉米土壤水温及产量的影响

免耕秸秆覆盖是中国北方干旱半干旱区一种重要的保护性耕作模式。为明确宽行覆盖窄行深松交错种植条件下覆盖带适宜的秸秆覆盖量和覆盖方式, 2012–2013年在河北省廊坊市进行了春玉米的田间试验。选用郑单958为试验材料, 采用80 cm+40 cm宽窄行种植, 宽行间覆盖秸秆, 窄行间进行苗带深松, 设置8.42 t hm^-2覆盖量下粉碎覆盖(100SC)、整秆覆盖(100SP)、4.21 t hm^-2覆盖量下粉碎覆盖(50SC)、整秆覆盖(50SP)和不覆盖(CK)处理, 测定土壤水分和温度、出苗状况、物质积累、产量及产量构成。结果表明, 秸秆覆盖与深松结合条件下, 4种覆盖处理与对照相比均提高了土壤含水量, 其中50SC处理在花前0~15 cm土壤降温幅度最小, 其他覆盖处理显著降低花前土壤温度。各覆盖处理明显提高了苗期整齐度, 秸秆覆盖对苗期的生育期天数略有推迟。与CK相比, 50SC提高了春玉米地上部生物量, 促进花后干物质积累, 千粒重和穗粒重分别提高10.9% (P<0.05)和6.5% (P<0.05), 产量提高4.78%, 达12 243 kg hm^-2。50SC条件下产量与全生育期干物质积累(DMA)、花后/花前DMA呈极显著正相关。说明宽行覆盖窄行深松交错种植有利于缓和秸秆覆盖对出苗的物理阻碍, 其中秸秆以4.21 t hm^-2的覆盖量粉碎覆盖效果最好, 该处理可为玉米提供稳定有利的土壤水分和温度条件, 提高了生育后期的物质积累以及籽粒产量。     

甘蓝型油菜结角高度与荚层厚度的全基因组关联分析

角果是油菜重要的光合作用和种子存储器官,对油菜产量具有重要贡献。本研究以412份具有代表性的甘蓝型油菜品种(系)为材料,利用芸薹属60K Illumina Infinium SNP芯片对其基因型分析,并对油菜结角高度和角果层厚度进行全基因组关联分析。结果共检测到16个显著关联的SNP,其中重庆环境下分别检测到2个和4个SNP与结角高度和结角层厚度显著关联,单个SNP解释的表型变异为5.61%~5.69%和5.94%~6.31%。云南环境下分别检测到5个和1个显著关联的SNP,单个标记解释的表型变异为12.66%~13.97%和22.43%。对2个环境的结角高度差和结角层厚度差共检测到3个和1个与性状显著相关的SNP,它们对表型变异的解释率分别为17.33%~20.32%和29.05%。其中,环境间结角厚度差的关联SNP与重庆环境结角层厚度的1个显著关联SNP位于同一LD区间。各显著关联标记LD区段的多个基因调节植物细胞组织发生、花分生组织发育、角果数目和多器官发育,如NSN1、TPST和SAC1等,它们可能通过上述功能影响油菜花序或角果的生长发育,导致结角高度或结角层厚度差异。本研究发掘的这些位点和候选基因可作为影响油菜结角高度和角果层厚度的重要候选区域和基因,为揭示油菜结角性状的遗传基础和分子机制,提高油菜单位面积产量奠定了基础。     

玉米秸秆全量深翻还田地力提升技术模式实证及效益分析

以秸秆全量深翻还田技术为核心,集成精播保苗、病虫害防控、养分高效管理和机械收获等关键技术,构建了基于整个玉米种植链条的秸秆全量深翻还田地力提升技术模式,并于2018-2019年将此模式在吉林省公主岭和伊通两地18个规模经营主体进行实证。结果表明,与农民习惯操作相比,所有规模经营主体实证区应用该技术模式均表现为增产趋势,产量增幅为4.5%~11.9%,平均增产7.8%;化肥和水分生产效率平均增幅均为7.8%。由于采用规模化作业,大幅度降低了生产成本,仅秸秆深翻还田部分成本略有增加;与农民习惯操作相比,净利润增加13.0%~16.2%。表明该技术模式通过对全种植链的优化,实现了培肥、增产和增收等多重效益,可以在吉林省中南部地区大面积推广应用。