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开展玉米粒型性状的遗传改良并提高玉米逆境适应性,可有效保证玉米的高产和稳产,从而确保粮食安全。而玉米粒型性状基因和逆境适应性基因的定位克隆将为玉米的高产和稳产提供有效基因资源。本研究以课题组鉴定获得的两份玉米产量相关的突变体smk9（small kernel 9）和srl5（semi-rolled leaf 5）为材料,通过表型鉴定、遗传学分析及图位克隆等策略,成功克隆了两个玉米产量相关基因,分别命名为Zm SMK9和Zm SRL5,并进一步阐明了这两个基因的功能以及突变表型产生的机制。获得的主要研究结果如下:1、smk9表型鉴定。与野生型相比,smk9籽粒变小,百粒重约为野生型的45%;smk9的胚和胚乳的发育都相对滞后,但最终都能够发育成具有完整结构的正常籽粒,且后代籽粒能正常萌发生长,并能发育为株型更加紧凑的植株。2、Zm SMK9的定位与克隆。遗传分析表明,smk9受单个隐性核基因控制（3:1,χ2-test,p=0.56）,利用来自于B73与smk9杂交构建的F2群体中的26950粒分离籽粒,将Zm SMK9定位于700 kb范围内,共包含6个候选基因。通过候选基因在野生型与smk9两个材料中重测序以及序列比对分析发现,在GRMZM2G420723基因编码区距离起始密码子ATG+965 bp位置存在一个单碱基的缺失,造成了蛋白的移码突变,而其它5个基因的序列在两个材料之间不存在差异,因此将GRMZM2G420723作为关键候选基因。该基因只包含一个外显子,产生一个2025 bp长度的编码序列,编码一个包含674氨基酸的P-type PPR蛋白,将该基因命名为Zm SMK9。3、Zm SMK9的功能验证。分析Zm SMK9的等位突变体smk9-1发现,在该基因距离起始密码子+718 bp的位置存在着一个单碱基的突变,由CAA突变为TAA,造成了终止突变。+/smk9-1杂合自交果穗存在着3:1大小粒分离（χ2-test,p=0.80）,等位测验结果表明Zm SMK9即为控制玉米籽粒发育的功能基因。Zm SMK9是一个组成型表达基因,Zm SMK9蛋白定位于线粒体。4、Zm SMK9作用机理解析。线粒体基因表达分析及蓝绿温和胶凝胶电泳（blue-nativepolyacrylamidegel-electrophoresis,BN-PAGE）结果表明,Zm SMK9作用于线粒体基因nad5的intron 1和intron 4的剪切,该基因突变后,导致nad5的intron 1和intron 4剪接效率下降;从而影响了线粒体复合体Ⅰ的正常组装,导致其活性下降,即氧化磷酸化途径受阻,供应籽粒发育的能量不足,从而导致籽粒变小。5、srl5表型鉴定。与野生型相比,srl5突变体叶片半卷曲,生长发育及产量相关性状均受到一定程度的影响;srl5突变体叶片的泡状细胞显著增多（p<0.01）,且厚壁细胞的细胞壁结构异常,而叶片和叶鞘细胞壁主要成分（纤维素、半纤维素、木质素和果胶）含量没有显著差异;srl5气孔密度、孔径大小以及对ABA的响应与野生型之间无显著差异。6、Zm SRL5定位与克隆。遗传分析表明srl5受单个隐性核基因控制（3:1,χ2-test,p=0.78）。利用B73与srl5突变体杂交构建的4596个F2个体将srl5定位在1号染色体90 kb区间内,该区间包含两个候选基因Zm00001d028159和Zm00001d028160。测序分析表明Zm00001d028159在野生型和突变体中无序列差异;而在突变体中,Zm00001d028160的第一个内含子存在着3745 bp的插入。RNA-seq reads拼接结果以及RT-PCR结果都证实该片段的插入会导致转录的提前终止,即Zm00001d028160为关键候选基因,并命名为Zm SRL5。Zm SRL5编码含有4个跨膜结构域的CASP Like蛋白。7、Zm SRL5功能验证。Zm SRL5的CRISPR/Cas9的两个片段缺失的基因敲除系KO1和KO2具有和srl5相似的表型,进一步验证了Zm SRL5为功能基因;时空表达分析表明,Zm SRL5属于组成型表达,且在发育的叶片中高表达,在成熟的叶片中低表达;亚细胞定位结果表明Zm SRL5蛋白定位于细胞质膜。8、Zm SRL5能提高植株抗旱耐盐性,保证植株正常生长发育,提高产量。与野生型相比,srl5、KO1和KO2对干旱和盐胁迫更加敏感,且突变体植株内钠离子积累量显著地高于野生型,说明Zm SRL5是一个抗旱耐盐相关的基因;根系相关性状及解剖结构在野生型和srl5之间不存在显著差异;突变体及敲除系表皮的通透性显著提高,表现为更快的叶片失水速率和叶绿素浸出速率,较低的叶表面温度。野生型叶片表皮被片状蜡质晶体均匀覆盖,而srl5、KO1和KO2叶片表皮蜡质晶体均呈现不规则、不均匀的分布,近半数蜡质晶体融合堆积成块状,其余部位蜡质分布稀疏;但利用气相色谱仪（GC-MS）对表皮蜡质成分分析结果却显示蜡质的总含量在野生型和srl5中无显著差异。综合分析上述实验结果,进一步说明Zm SRL5是一个抗旱、耐盐相关的基因,且通过维持叶片的蜡质晶体结构和分布及正常表皮通透性来提高抗旱耐盐性,从而保证植株正常生长发育,提高产量。9、蜡质合成以及转运相关基因表达分析。RNA-seq数据结果显示,蜡质合成以及蜡质转运相关的基因在srl5与野生型之间表达无差异或差异较小;q RT-PCR进一步验证了相关结果。综上所述,Zm SRL5的突变对蜡质的合成和转运过程影响较小,可能主要通过影响蜡质晶体形态和分布来影响叶表皮的通透性,导致干旱和盐胁迫敏感性增强。