玉米是重要的粮食、饲料、工业原料和生物质能作物。生物学产量、籽粒产量、和品质都是玉米遗传育种的目标性状。株高与玉米籽粒产量和生物学产量密切相关,是一个重要的产量相关性状。首先,株高与玉米倒伏相关。提高玉米种植密度是当前提高玉米产量的主要方式,但随着种植密度的增加,玉米植株倒伏的风险也随之增加,降低株高是一种避免倒伏的主要育种策略。另外,对株型的修饰可提高玉米的生物量。株高是构成株型的重要因子,与植株生物量高度相关。因此,株高是玉米遗传和育种研究中重要的目标性状,对株高形成的遗传基础研究对玉米育种具有重要的指导意义。在之前的研究中,本实验室利用染色体片段代换系群体在玉米第3染色体鉴定到一个株高主效QTL (Bai et al.,2010),命名为qPH3.1。本研究利用图位克隆策略对qPH3.1进行精细定位,并克隆控制qPH3.1的候选基因,基于基因表达分析、细胞学分析、候选基因关联分析、突变体和生理学分析证实候选基因的功能。主要研究结果如下：1.SL15是一个在综3遗传背景中,导入来自衡白522第3染色体ND1-ND75区段的染色体片段代换系。全基因组245个衡白522与综3间有多态性的SSR标记扫描发现,SL15在第3染色体上3.06bin还存在一个与综3具有差异的分子标记dupssr23,说明在SL15中dupssr23附近的染色体片段来自于供体亲本。基于以上SSR分析表明,SL15与综3基因组间的遗传差异约为2%。2.SL15通过增加节间细胞长度使其株高显著高于综3。比较SL15和综3两者间株高、节间数目及节间长度的差异,结果表明两者间节间数目相同,但株高存在显著差异。进一步比较SL15与综3的各节间及雄穗的长度发现,SL15所有节间都显著长于综3,雄穗的长度无显著差异。细胞学观察发现,SL15的节间细胞显著长于综3(p<0.01),表明SL15相对于综3节间的延长是由于细胞长度的增加,而非细胞数目的增加。3.SL15的导入片段中含有控制株高的增效等位基因。以SL15与综3为亲本杂交,构建了一个含有161个单株的F2分离群体,利用该群体对株高、百粒重、行粒数、穗行数、穗粗、穗长等性状进行QTL鉴定。结果表明,在SL15的导入片段区域内存在一个株高QTL qPH3.1,解释32.3%的表型变异,SL15等位基因的加性和显性效应分别是9.6cm和4.5cm；未检测到百粒重、行粒数、穗行数、穗粗、穗长等性状的QTL,说明qPH3.1仅影响株高,不影响产量相关性状。另外,连锁分析证实位于3.06bin的残留片段(dupssr23)与株高及产量相关性状均不相关。4.qPH3.1的精细定位与候选基因克隆。2008年,利用含617个单株的目标染色体区段的F2分离群体,进一步评估了qPH3.1对产量相关性状和花期性状(抽雄期和吐丝期)的影响,结果表明qPH3.1对产量及花期性状均无影响。选择QTL区段内的交换单株自交,发展了QTL区段内的3个染色体片段跨叠系。2009年,利用含2153个单株的目标染色体区段的F2分离群体,进一步发展了QTL区段内的5个染色体片段跨叠系。利用连锁分析和染色体片段置换作图,将qPH3.1定位于ND87—ND88区间,对应于B73参考基因组的物理距离为12.6kb。该区间内仅有一个基因,编码一个与水稻OsGA3ox2高度同源的蛋白质,将其作为候选基因,并命名为ZmGA3ox2。利用RACE技术,获得了ZmGA3ox2的全长cDNA,确定了转录起始位点和转录本的3’末端,其转录本包含238bp的5’-UTR和505bp的3’-UTR。利用PCR技术扩增SL15和综3的编码区及启动子区,测序发现ZmGA3ox2基因含有3个外显子,2个内含子,开放读码框(ORF)全长1149bp,编码382个氨基酸。在ZmGA3ox2的编码区、启动子区及UTR区,SL15和综3间共检测到27个多态性位点。5.SL15和综3间,ZmGA3ox2基因的时空表达存在差异。利用ZmGA3ox2的序列进行BLAST分析,发现玉米B73基因组中仅存在两个GA3ox基因,ZmGA3ox1和ZmGA3ox2。RT-PCR分析表明,ZmGA3ox2在根、茎、叶、雄穗及雌穗等组织中均有表达,而ZmGA3ox1仅在雄穗中表达。ZmGA3ox1仅在雄穗中表达说明在营养生长阶段,ZmGA3ox2是唯一起作用的GA3ox基因,ZmGA3ox2的表达量对活性GA的量起着决定性的作用。quantitative RT-PCR分析发现,在拨节后4个时期的茎尖组织中,SL15中ZmGA3ox2的表达水平显著高于该基因在综3对应时期的表达水平。6.玉米矮秆突变体dwarf-I(d1)的遗传分析证实ZmGA3ox2的变异可以影响株高。通过对其中一个1的等位突变体d1-6016的分析,发现其ZmGA3ox2基因存在2304bp的片段缺失,包括734bp的起始密码子上游序列和1570bp的编码区序列,丢失掉了核心启动子区域和几乎整个编码区,编码区仅剩下最后一个外显子的64bp的碱基残留。同时,ZmGA3ox1在d1-6016的雄穗中能够正常表达,但d1-6016仍然表现出极端矮化,表明ZmGA3ox1基因的功能不能补偿ZmGA3ox2的缺失,进一步说明ZmGA3ox2在玉米植株茎秆的生长中起着决定性的作用。我们同时构建了含有406个单株的d1-6016的分离群体, ZmGA3ox2基因内的标记ND88和株高表型表现出共分离。d1-6016中ZmGA3ox2基因的大片段缺失及ND88与表型的共分离表明ZmGA3ox2就是负责d1的基因。7.体外施用赤酶素(GA3)可消除综3与SL15间的株高差异。qPH3.1的候选基因是ZmGA3ox2,表明SL15与综3间的株高的差异,可能是由于二者体内的活性GA的水平差异所引起的。对SL15与综3进行GA外源喷施处理,结果发现外源喷施GA处理的SL15和综3的株高相对于未喷施GA的SL15和综3均显著增高,而且GA处理的SL15和综3具有相似的株高。这一生理学证据充分证明SL15和综3间的株高差异与GA相关,两者间的株高差异是由于GA生物合成基因变异引起的。通过对拔节后4个时期的茎尖的内源GA测定证实活性GA1在SL15中的含量显著高于在对应时期的综3中的含量。8.候选基因关联分析表明ZmGA3ox2启动子区的自然变异影响玉米植株高度。利用含有244个自交系的关联群体对ZmGA3ox2进行候选基因关联分析,结果表明启动子区的两个位点(S-575,S-566)与株高变异显著相关。在这两个显著相关的位点,来自SL15的等位基因可以增加株高。这两个位点间存在连锁不平衡(r2=0.53)且均具有3个等位基因,在关联群体中可以形成4种主要的单倍型。Haplotype4(SL15型)的株高显著高于Haplotype3(综3型)的株高。