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玉米是重要的粮食、饲料和工业原料作物,在国民经济发展中占有重要地位。氮肥是农作物生产上使用最多的大量营养元素肥料,氮肥利用效率低是世界农业研究领域的难题,提高玉米氮肥利用效率具有重要研究意义。培育耐低氮品种是提高玉米氮利用效率的有效途径,而发掘耐低氮基因资源是培育耐低氮品种的前提和基础。玉米Gln1-3和Gln1-4基因编码茎秆与穗部GS同工酶,与全株氮向籽粒蛋白质同化、氮利用效率及产量紧密相关。与连锁分析相比,关联分析方法可鉴定出与玉米表型性状密切相关的功能等位基因变异,因而成为研究玉米氮利用效率的有效途径。本文以我国玉米生产上常用的189份自交系为材料,通过两年一点田间试验鉴定和评估相关性状的耐低氮性,结合180份自交系群体结构分析和氮代谢2个关键基因(Gln1-3、Gln1-4)开展基于候选基因策略的关联性分析,旨在发掘与氮利用效率性状相关的功能等位变异及氮高效单体型。获得的主要研究结果如下:1.2007年和2008年冬季分别在海南三亚对189份玉米自交系进行田间耐低氮评价,调查分析大喇叭口期叶片叶绿素含量、开花期和开花后10天穗三叶叶绿素含量、株高、穗位高、结实株数百分率、ASI、穗长、穗粗、穗行数、穗粒数、秃尖度、单穗重、百粒重和小区产量等19个表型性状。通过典型相关分析和因子分析,发现大喇叭口期叶片叶绿素含量、开花期穗上叶叶绿素含量、株高、百粒重、穗粒数和小区产量6个性状可以作为玉米自交系耐低氮性评价指标。以大喇叭口期叶片叶绿素含量、开花期穗上叶叶绿素含量、株高、百粒重、穗粒数、小区产量耐低氮系数的加权平均值作为评价玉米自交系耐低氮能力的综合指数,对189份玉米自交系进行耐低氮性评价,将试验材料分为高度耐低氮、中度耐低氮、中度敏感和高度敏感4种类型。两点试验耐低氮级别典型一致的材料有59份,其中高度耐低氮自交系17份,即齐205、7595-2、早49、郑28、郑30、CA339、川273、川321、合344、获唐黄、沈137、品1P6Co、辽2345、吉818、x178、H201和E28;一致中度耐低氮的材料有19份,即1029、临系11、郑22、铁7922、502、CML292、昌7-2、77、H152、金黄96B、CN962、冀53、鲁原133、4379、辽白371、196、CA335、丹340和郑58;一致中度敏感的材料有12份,即龙抗11、31778、掖107、掖515、金黄55、PI143、中自01、200B、M0113、东91、374和吉81162;一致高度敏感的材料有11份,即CML206、齐209、65232宽、QB80、四F1、y75、7379-2、塔5、长3、吉8415和吉842。这些材料为玉米耐低氮育种奠定基础。2.采用PCR与接头步移(walking)方法分离得到Gln1-3、Gln1-4基因区域基因组DNA全长。Gln1-3基因全长4571 bp,起始密码子至终止密码子序列长3062 bp;Gln1-4基因全长3724 bp,起始密码子至终止密码子序列长2858 bp。对这两个基因的结构进行分析并确定保守功能域,为关联分析奠定了基础。3.在180份玉米自交系中,对Gln1-3、Gln1-4基因的5′非编码区、氨离子结合功能域与ATPase活性保守功能域等重要分析区间分析表明,(1)Gln1-3基因中,共检测到182个位点的等位变异,其中140个位点为SNP, 42个位点为Indel。等位基因频率大于5%的位点为80个,其中58个位点为SNP,平均每39 bp一个;22个位点为indel,平均每104 bp一个。(2)在Gln1-4基因中,共检测到186个位点的等位变异,其中148个位点为SNP,38个位点为Indel。等位基因频率大于5%的位点为58个,其中32个位点为SNP,平均每71 bp一个;26个位点为indel,平均大约每88 bp一个。连锁不平衡结构分析表明,这两个基因的5′端、氨离子结合域和ATP酶结合结构域都分布着较强的LD结构(r2>0.5)。4.通过关联分析发现,在低氮胁迫下,(1)Gln1-3基因中19个序列多态性位点与开花期穗上叶叶绿素含量、株高、穗粒数、百粒重和小区产量显著关联。其中,与小区产量关联显著的位点10个;与株高呈显著关联的位点8个。位点2069对小区产量的效应最大,其值为26.8%,10位点对小区产量的总贡献率达到32.7%。选取具有较大贡献的5个位点将180份自交系分为11种单体型,其中单体型7含有对小区产量贡献较大的位点-172的C位、889的C位、2069的C位和2072的0位,包含于郑30、CA339和CA156等多个高度耐低氮和中度耐低氮自交系,推断该单体型可能为Gln1-3基因的耐低氮单体型。(2)Gln1-4基因中14个序列多态性位点与大喇叭口期叶片叶绿素含量、开花期穗上叶叶绿素含量、株高、穗粒数和小区产量显著关联。其中,与穗粒重关联显著的位点有11个;与株高和大喇叭口期叶片叶绿素含量呈显著关联的位点分别有2个。位点-218对小区产量的效应最大,其值为22.1%,11位点对穗粒数的总贡献率为36.7%。选取具有较大贡献的5个位点将180份自交系分为10种单体型,其中单体型1中含有对穗粒数贡献较大的位点-574的A位、-218的A位和-199的1位;对应4个高度耐低氮和中度耐低氮自交系齐205、7595-2、吉1037、吉495,推断该单体型可能为Gln1-3基因的耐低氮单体型。(3)两个基因的33个位点分别与氮利用效率相关性状存在显著关联,其中一些单体型累积可解释表型变异达20%以上,具有功能分子标记开发与育种利用前景。