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玉米是世界上重要的粮食作物之一,约10,000年前从位于热带地区墨西哥的大刍草驯化而来。玉米具有丰富的遗传变异,是遗传学研究的经典模式植物之一。以自交系B73为参考的玉米基因组于2009年构建完成,为玉米复杂性状的遗传剖析打下了夯实的基础。然而,一个参考基因组不足以代表整个玉米群体的遗传水平,存在于其它玉米材料中的特有基因亦有很大研究价值。如今二代测序技术的发展大大降低了基因组测序的成本,而转录组测序(RNA-seq)是比基因组测序更为简单经济的技术手段。本论文的第一部分研究是基于本课题组关联群体368份玉米材料授粉后15天籽粒的RNA-seq数据,通过de novo组装的方法挖掘B73参考基因组中不存在的新转录本,构建玉米的泛转录组。同时根据此泛转录组以基因表达的有无作为标记,利用全基因组关联分析(Genome-wide Association Study,GWAS)探究其对农艺性状、代谢物含量及基因表达不同层次的表型贡献。具体研究结果如下:1.在籽粒表达的38,032个参考基因组注释基因中,有13,382个被鉴定为ePAV(expression Presence and Absence Variation,衡量不同材料中表达与否的变异,相较于表达量变化来说可视为一种定性的较为极端变异),并富集于与调控相关的功能。利用芯片鉴定的基因型进行推断,约1%的ePAV基因是由于序列结构变异(Presence and Absence Variation,PAV)导致。2.群体de novo组装共得到2,355条参考基因组上不存在的新转录本,总长为1.9 Mb。其中1,318条可以在禾本科及其它模式植物中得到较为详细的注释信息,145条预测具有蛋白质编码能力,248条可能为小RNA的前体序列,644条被注释为长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)。3.GWAS结果显示,分别有2,023个ePAV和814条新转录本可以显著影响关联群体的农艺性状和代谢性状。此外,通过对一个测交群体研究发现,双亲本间ePAV和新转录本的互补对杂种优势亦有一定的贡献。4.模拟分析发现玉米泛转录组是闭合型的,估计玉米籽粒表达的基因总数目在63,000个左右。考虑到在玉米籽粒中表达的基因占总基因的70%~80%,因而推测玉米群体基因数目为78,000~84,000。此项研究针对遗传多样的自然群体展开分析,可以尽可能挖掘更多的新转录本,并且通过GWAS的方法系统地探究了转录水平基因对表型的贡献。本论文的第二部分研究则是对玉米开花抑制因子ZmCOL3进行功能分析。开花期是玉米从热带到温带演化过程中重要的适应性性状,了解开花期的遗传基础有助于玉米种质资源的利用。前人研究表明植物中的CCT基因家族影响开花期。此项研究鉴定出了玉米基因组中的CCT基因家族,并结合连锁分析、候选基因关联分析和同源分析的方法系统地评估了CCT基因家族对开花期的贡献。在此基础上鉴定到1个重要的CCT基因(ZmCOL3),并通过转基因功能验证、重测序、遗传分析、亚细胞定位和下游调控网络构建系统解析了其功能。具体研究结果如下:1.玉米B73参考基因组中共有53个CCT基因,可分为4个亚家族:27个COL基因、15个CMF基因、8个PRR基因和3个TIFY基因。2.在53个玉米CCT基因中,有28个位于前人连锁分析定到的开花期QTL(Quantative Trait Locus)区间内,有15个与关联群体开花期显著相关,有13个基因与水稻开花基因同源,有3个基因能同时被3种方法定到。3.ZmCOL3属于COL亚家族,它主要在叶片、茎节和胚中表达,表达量在光照3.5 h后达到峰值。亚细胞定位显示ZmCOL3蛋白位于细胞核。ZmCOL3是一个开花抑制因子,在玉米中过表达ZmCOL3无论在长短日照下都能延迟开花3~4天。4.ZmCOL3的3’-UTR区1个胞嘧啶的缺失以及启动子区551 bp的插入可能是潜在的功能位点;其可能影响生物钟途径或者结合ZmCCT启动子区激活其转录而延迟开花。此项研究综合连锁分析、候选基因关联分析和同源分析的方法,定到了一个玉米开花抑制因子ZmCOL3并加入到玉米光周期调控网络中,加深了我们对玉米适应性及开花期遗传机理的理解,为玉米热带种质资源利用和遗传改良提供有益信息。