基于连锁—关联分析的玉米叶绿素含量遗传基础解析

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玉米是重要的粮食作物,也是饲料及工业原料,叶片叶绿素含量与光合效率、产量潜力紧密相关。因此,探索叶绿素含量的遗传基础可为玉米高产育种提供理论支持。而目前克隆的叶绿素相关基因大多来自拟南芥和水稻,玉米中报道较少。本研究结合连锁分析和全基因组关联分析对玉米棒三叶叶绿素含量的遗传基础进行解析,共鉴定到35个QTL及三个叶绿素代谢途径的重要候选基因。主要结果如下:1、表型分析关联群体和连锁群体棒三叶(穗上叶、穗位叶、穗下叶)叶绿素含量呈正态分布,为典型的数量性状;不同遗传背景下的棒三叶叶绿素含量显著正相关(P<0.01);方差分析表明关联群体棒三叶叶绿素含量的环境效应、基因型效应、基因型与环境互作效应均达显著水平(P<0.05),表明叶绿素含量存在显著的遗传变异。棒三叶叶绿素含量广义遗传力较高,分别为0.66(穗上叶)、0.66(穗位叶)、0.67(穗下叶)。2、全基因组关联分析利用三种模型(Q,K,Q+K),对关联群体在5个环境(鹤壁、三亚、长沙、原阳、永城)及Blup下的棒三叶叶绿素含量进行全基因组关联分析,发现K模型对假阳性控制最好。基于K模型,一共检测到29个显著SNPs-性状关联(P≤3.99×10-6)。其中,鹤壁、三亚、长沙、原阳、永城、Blup分别鉴定到7个、7个、5个、0个、0个、10个SNPs-性状关联,涉及到18个位点,可解释4.53%-6.71%表型变异,共涉及76个候选基因。表达量QTL分析(Expression QTL,eQTL)表明85.5%(65/76)的基因具有eQTL,11.8%(9/76)的基因与对应表型显著相关(P≤0.05),表明这些基因可能是通过表达量的变化来调控表型变异。3、连锁分析连锁分析在两个RIL群体中一共鉴定到17个QTL。其中RIL335群体穗上叶、穗位叶、穗下叶分别鉴定到3、4、2个QTL,每个QTL可解释6.56%-17.71%表型变异,平均为11.71%。RIL958群体穗上叶、穗位叶、穗下叶分别鉴定到4、3、1个QTL,解释的表型变异从6.4%到10.73%不等,平均为8.52%。4、连锁-关联共定位分析连锁-关联分析共定位到2个QTL,表明这2个QTL可以在不同遗传背景下稳定存在。2个QTL内分别确定了一个可能的候选基因GRMZM2G168858和GRMZM2G371345。其中GRMZM2G168858编码NADPH-细胞色素还原酶2,该酶作为细胞色素P450家族重要的还原酶,参与叶片叶绿素的分解代谢。GRMZM2G371345编码黄酮醇3-O-葡萄糖基转移酶,作为UDP-葡萄糖酶的底物参与叶绿素合成及降解途径。此外,在RIL335群体中通过连锁分析鉴定到的基因GRMZM2G091837(ZmSGR1)已被克隆并被证明参与叶绿素的分解代谢,过表达该基因可延缓玉米叶片衰老。该研究丰富了玉米叶绿素含量的遗传基础,有助于玉米叶片叶绿素含量的遗传改良,为高光效玉米育种提供参考信息。
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