一、玉米17个农艺性状全基因组关联分析研究玉米是世界上最重要的粮食作物之一,在不同的气候环境下被广泛种植并且拥有丰富的表型变异。研究玉米中控制表型的自然变异,不仅可以解析相应性状的遗传基础,并且对于以改良玉米籽粒品质,提高产量和抗逆性为目的的玉米分子育种,具有极大的应用价值。基因型推算获得高密度的基因型标记也被广泛地应用于关联分析中,用以增强关联分析检测能力和精度。本研究开发了一种解决基因型大规模缺失的两步推算算法,并应用此方法将具有高密度标记的关联群体从368份自交系拓展为513份。并使用混合线性模型和一种新的非参数统计模型Anderson-Darling test(A-D test)对17个农艺性状进行全基因组关联分析。结果如下:1.基因型推算及其有效性验证:513份关联群体均具有MaizeSNP50芯片检测的56,110个低密度SNPs标记(data set 1),其中368份材料经过RNA-seq测序获得了 556,809个高密度SNPs标记(data set 2)。为推算剩余145份材料的高密度SNPs,两套基因型共有的49,728个SNPs位点被作为基因型推算的框架SNPs。通过对1号染色体数据的模拟,本研究确定了 IBD和KNN两步推算方法的最优参数,将基因型缺失率从91.6%降低为12.8%,其准确率为96.6%(dataset3)。通过油份性状关联分析发现,推算后的基因型(data set 3)比推算前的基因型(data set 1和2)具有更高的GWAS检测效力。2.全基因组关联分析:经两年五点的田间重复实验,测得了关联群体17个农艺性状的表型数据,使用MLM对其进行关联分析,在阈值为P<1.80E-6(1/556809)时,仅在5个性状中检测到10个显著的SNPs位点,而在更严格的阈值P<8.98E-8(0.05/556809)时,没有检测到显著的SNPs位点。而基于中位值检测的非参数统计模型A-Dtest,在阈值P<8.98E-8(0.05/556809)时,在17个不同性状中检测到310显著位点。可见非参数统计模型A-D test大大提高了关联分析对复杂农艺性状的检测效力。3.利用模拟表型评估不同的关联分析模型:通过数据模拟,本研究比较了 MLM和ADGWAS的统计功效与QTL效应大小、频率和表型分布的关系。结果表明,A-D test对于中等效应的QTNs具有更高的检测效力,并且对于非正态的表型具有更强的稳定性,而MLM仅能够有效的检测到主效的QTNs。4.关联结果的验证和基因预测:本研究使用了三个独立的RIL群体对粒宽、穗长和行粒数三个性状进行连锁分析。结果表明,9个关联分析位点与连锁分析所鉴定QTL存在共定位,并鉴定出了相应的候选基因。综上所述,IBD-KNN两步法为一种有效的应对大规模基因型缺失的推算算法,A-D test是全基因组关联分析的一种有效模型。结合基因型推算和AD-test方法,本研究成功解析了玉米17个农艺性状的遗传结构,为玉米分子标记辅助育种提供了可用的资源。二、Mo17和野生玉米的基因组组装2009年玉米B73参考基因组的公布,极大的促进了玉米基因组学和功能基因组学的研究,带来了巨大的科研和经济效益。而在测序技术,组学和基因组编辑技术飞速发展的今天,面对遗传变异如此丰富的玉米,发现更多可以用来改良现代玉米的优良等位基因变的愈发重要,仅仅一个B73参考基因组是远远不够的。因此,本研究旨在组装出优良玉米自交系Mo17和大刍草Zea mays ssp.mexicana(后称为mexicana)的基因组,为玉米泛基因组、野生资源研究和驯化相关基因发掘提供序列基础,结果如下:1.基因组组装:基于一种全新的遗传设计,采用混合组装的方法组装了 Mo17和mexicana的基因组草图。最终Mo17和mexicana分别组装出了 2.04Gb和1.20Gb的基因组,其scaffolds N50分别为3Mb和106kb。2.结构变异的鉴定:比较基因组发现B73、Mo17和mexicana之间存在广泛的结构变异,包括数十万的PAV和3个Mb级别的插入缺失,以及存在于玉米和mexicana之间的接近30Mb的倒位。3.正向选择分析:利用组装出来的基因组,通过正向选择分析,本研究鉴定出310个基因分别在mexicana和Mo 17中受到正向选择,其中两个在mexicana基因组中受到正选择的基因ZMex05g020691和ZMex05g017761,其在水稻中的直系同源基因均被克隆并验证与抗旱,抗寒,抗盐等逆境的适应性有关。这些结果表明,受选择基因可能与mexicana对其生存环境的适应性有关。4.玉米自发突变的模式:本研究在全基因组水平估计了玉米点突变的自发突变率为3.87×10-8每位点每代,并且非随机的分布于基因组上。着丝粒区域比基因组其他区域具有更高的有害突变比例,这可能与不同区域的重组率有关。5.基因渗透:mexicana基因组通过基因渗透对现代玉米适应性和改良做出了贡献,本研究中在B73和Mo17中分别鉴定了 3.1%和2.2%的基因组与mexicana之间存在着基因渗透。