论文部分内容阅读
淀粉作为玉米籽粒最主要的组成部分,不仅为人类和动物提供重要的能量来源,还为各种工业生产加工提供原料。因此,提高玉米籽粒淀粉含量不但能增加玉米产量,还能满足工业需求。目前利用突变体已经克隆了多个玉米籽粒淀粉合成相关的关键酶基因,但对籽粒淀粉合成和调控的网络知之甚少。本研究以利用高淀粉自交系(DHLoProl)和普通自交系(B73)组配的F2:3群体在3号染色体上定位到一个控制玉米籽粒淀粉含量的主效QTL(qS3)为基础,构建了以B73为轮回亲本、DHLoProl为供体的BC5F2近等基因系,并对该对近等基因系授粉后14天和21天两个不同发育时期的玉米籽粒进行RNA-Seq分析,挖掘qHS3候选基因并阐述他们对玉米籽粒淀粉合成的调控机理;同时,利用图位克隆方法对该主效QTL(qHS3)进行精细定位,从正向遗传学上挖掘候选基因。主要研究结果如下:1.对来源于BC5F2的一对近等基因系进行SNP基因型检测以及授粉后14天和21天两个不同发育时期的玉米籽粒进行RNA-Seq分析,通过比较基因芯片和RNA-Seq中在QTL区段内SNP的差异,在近等基因系之间检测到76个基因发生了非同义突变;差异表达分析发现在QTL区段内有384个基因在近等基因系间发生了差异表达。其中,GRMZM2G068913(ZmHXK3aa)既在第9个外显子上发生了一个非同义突变,又在授粉后14天发生了差异表达,是qHS3潜在的一个候选基因。ZmHK3a基因编码己糖激酶,催化葡萄糖产生6-磷酸-葡萄糖,在淀粉合成途径中起重要的作用。此外,着重观察了淀粉代谢途径中的差异基因,在NIL_B中ZmHXK3a、SSV、ZmHXK3b和Dul的上调表达,AGPLLZM、ZmGPE5和GBSSII的下调表达,最终导致了籽粒淀粉含量的升高。这些结果加深了我们对玉米籽粒淀粉积累合成的了解,并且为通过分子育种增加籽粒淀粉含量提供了候选基因。2.利用18个SNP标记对360株BC5F2进行主效QTL(qS3)的验证,结果显示在回交5代后主效QTL(qHS3)还是稳定存在的,大约能提高1.8%的玉米籽粒总淀粉含量。通过筛选重组单株并对其进行后代验证,对qHS3进行精细定位,对6个重要重组单株经过两次以上的后代验证将qHS3定位到M7和M9两个标记之间,物理距离为10 Mb,进一步通过开发新的标记,将qHS3定位到M7和N8两个标记之间,物理距离为5 Mb,在这区间内,总共有60个基因,根据前面基因差异表达分析发现有13个基因发生了差异表达,包括ZmHXK3a。3.对包含508份玉米自交系的关联群体在3个不同环境下籽粒的淀粉含量进行测定,结合通过对其中368份白交系RNA-Seq测序得到的最小等位基因频率大于 0.05的1499个SNP标记,对qHS3进行区段内关联分析,在P<0.01水平下共检测到位于5个基因的13个SNP与籽粒淀粉含量显著相关。其中,基因GRMZM2G056702和GRMZM5G898668都编码糖基转移酶蛋白(GT47),该类蛋白参与次生细胞壁合成代谢;GRMZM2G142315编码磷脂酰肌醇转运蛋白白,可能参与油分脂肪酸代谢途径;这两类代谢均和碳水化合物合成代谢有关,可能影响淀粉合成和积累。GRMZM2G136830编码一个C3HC4型锌指蛋白,GRMZM2G017404编码BTB/POZ结构域蛋白,目前对这两个基因的功能都不清楚。将这5个基因的表达量和淀粉含量进行相关性分析,结果表明只有GRMZM2G017404的表达量和淀粉含量呈显著正相关(r=0.18,P=0.06×10-2),表明该基因可能通过转录调控影响淀粉含量,而其它4个基因可能通过其它方式来影响淀粉含量。