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转录因子是植物发育的重要上游调控因子,通过结合在下游基因启动子区控制下游功能基因的转录,对植物表型行使调控作用。分析转录因子对表型的调控,通过提高表型观测的针对性,可有助于提高分子育种的目的性与效率。玉米生育期是与产量密切相关的性状。吐丝期、抽穗期、散粉期的提前给玉米充足的时间完成灌浆与成熟,有利于提高产量。同时,鉴于黄淮海地区独特的玉米-小麦一年两熟耕作制度,玉米生育期的缩短也将缓解小麦的播种压力,使小麦可以在入冬前发育良好,提高小麦产量,进而提高全年粮食总产。
为解析转录因子对包括生育期在内的玉米关键性状表型的调控,本研究以508份玉米自交系构成的自然群体为材料,以该群体重测序(基因型)SNP数据结合21种已公布的玉米关键性状表型数据,对玉米2034个转录因子进行了候选基因关联分析。获得的主要结论为:
1)在Q+K模型下,对2034个转录因子进行候选基因关联分析,共鉴定到3578个SNP与21种表型显著关联(P≤10-3)。这些SNP解释表型变异范围为2.37%~68.15%。其中轴色显著关联的转录因子最多,为105个;在家族成员10个以上的转录因子家族中,G2-like家族转录因子显著性成员比例最高,FHA家族平均每个基因含有的SNP个数最多。显著SNP位于转录因子基因内含予区、外显予区、5UTR区和3UTR,分别占比47.19%、28.20%、12.23%和12.39%。
2)对玉米生育期(抽穗期、吐丝期和散粉期)性状相关转录因子进行深入分析。三表型进行相关性分析显示这三种表型之问显著相关。与抽穗期、吐丝期和散粉期关联的转录因子分别为75、68、58个,这些转录因子中约一半关联到两种或两种以上的表型,同时关联到三种表型的转录因子为24个。和生育期显著关联的SNP有551个,其中抽穗期性状显著关联的SNP206个,散粉期性状显著关联的SNP177个,吐丝期性状显著关联的SNP168个。与吐丝期和抽穗期表型以及吐丝期和散粉期表型同时关联的显著SNP均为75个;与抽穗期和散粉期表型同时关联的显著SNP为128个。
3)选取40个含有3个及以上生育期相关显著SNP的转录因子基因,通过DAP-seq,捕获这些转录因子结合的关键cis位点及调控的下游基因。其中22个转录因子获得了DAP结合位点信息,且这些转录因子结合的cis位点大多与模式植物拟南芥中的报道相一致,而PLATZ9和NLP2结合序列和拟南芥中相应motif不一致,存在单/双子叶植物的差别。转录因子结合的下游基因显著富集于转录因子活性、DNA结合、RNA结合、有机氮化合物的合成代谢过程、与生殖有关的发育过程等;不同的转录因子存在共同调控的下游基因。如Zm00001d017660被9个家族的转录因子共同调控,该基因编码光周期非依赖性的早花基因;NAC、MYB转录因子共同调控的下游基因Zm00001d020364以及NAC、MYB和ARF共同调控的下游基因Zm00001d047269均编码早花蛋白4。这些结果表明,利用候选基因关联分析结合DAP-seq,生育期相关性状上游关键调控性转录因子为NAC、MYB和ARF,它们通过直接结合在光周期非依赖性的早花基因和早花基因4等下游关键功能基因的启动子,调控这些基因的转录,最终导致生育期变化的表现型。NAC、MYB和ARF转录因子的相关性(LD)分析显示,表型相关的显著位点与附近的SNP存在较高的相关性。
4)对其中一个玉米生育期相关转录因子基因ZmIAA10构建了过表达载体并进行了玉米遗传转化。ZmIAA10-OET2代阳性植株(3个独立转化事件)表现为抽穗期、散粉期和吐丝期均早于对照(KN5585)。该结果初步说明,利用候选基因关联分析获得的性状相关上游调控转录因子是可靠的。
综上,本研究探索了调控基因与表型性状之间建立联系的一种可操作性强的方法,可为玉米分子育种提供关键的基因资源和分子标记,并有助于提高分子育种的目的性与效率。
为解析转录因子对包括生育期在内的玉米关键性状表型的调控,本研究以508份玉米自交系构成的自然群体为材料,以该群体重测序(基因型)SNP数据结合21种已公布的玉米关键性状表型数据,对玉米2034个转录因子进行了候选基因关联分析。获得的主要结论为:
1)在Q+K模型下,对2034个转录因子进行候选基因关联分析,共鉴定到3578个SNP与21种表型显著关联(P≤10-3)。这些SNP解释表型变异范围为2.37%~68.15%。其中轴色显著关联的转录因子最多,为105个;在家族成员10个以上的转录因子家族中,G2-like家族转录因子显著性成员比例最高,FHA家族平均每个基因含有的SNP个数最多。显著SNP位于转录因子基因内含予区、外显予区、5UTR区和3UTR,分别占比47.19%、28.20%、12.23%和12.39%。
2)对玉米生育期(抽穗期、吐丝期和散粉期)性状相关转录因子进行深入分析。三表型进行相关性分析显示这三种表型之问显著相关。与抽穗期、吐丝期和散粉期关联的转录因子分别为75、68、58个,这些转录因子中约一半关联到两种或两种以上的表型,同时关联到三种表型的转录因子为24个。和生育期显著关联的SNP有551个,其中抽穗期性状显著关联的SNP206个,散粉期性状显著关联的SNP177个,吐丝期性状显著关联的SNP168个。与吐丝期和抽穗期表型以及吐丝期和散粉期表型同时关联的显著SNP均为75个;与抽穗期和散粉期表型同时关联的显著SNP为128个。
3)选取40个含有3个及以上生育期相关显著SNP的转录因子基因,通过DAP-seq,捕获这些转录因子结合的关键cis位点及调控的下游基因。其中22个转录因子获得了DAP结合位点信息,且这些转录因子结合的cis位点大多与模式植物拟南芥中的报道相一致,而PLATZ9和NLP2结合序列和拟南芥中相应motif不一致,存在单/双子叶植物的差别。转录因子结合的下游基因显著富集于转录因子活性、DNA结合、RNA结合、有机氮化合物的合成代谢过程、与生殖有关的发育过程等;不同的转录因子存在共同调控的下游基因。如Zm00001d017660被9个家族的转录因子共同调控,该基因编码光周期非依赖性的早花基因;NAC、MYB转录因子共同调控的下游基因Zm00001d020364以及NAC、MYB和ARF共同调控的下游基因Zm00001d047269均编码早花蛋白4。这些结果表明,利用候选基因关联分析结合DAP-seq,生育期相关性状上游关键调控性转录因子为NAC、MYB和ARF,它们通过直接结合在光周期非依赖性的早花基因和早花基因4等下游关键功能基因的启动子,调控这些基因的转录,最终导致生育期变化的表现型。NAC、MYB和ARF转录因子的相关性(LD)分析显示,表型相关的显著位点与附近的SNP存在较高的相关性。
4)对其中一个玉米生育期相关转录因子基因ZmIAA10构建了过表达载体并进行了玉米遗传转化。ZmIAA10-OET2代阳性植株(3个独立转化事件)表现为抽穗期、散粉期和吐丝期均早于对照(KN5585)。该结果初步说明,利用候选基因关联分析获得的性状相关上游调控转录因子是可靠的。
综上,本研究探索了调控基因与表型性状之间建立联系的一种可操作性强的方法,可为玉米分子育种提供关键的基因资源和分子标记,并有助于提高分子育种的目的性与效率。