论文部分内容阅读
玉米是全世界总产量最高的粮食作物,已成为影响全球粮食安全的重要因素。产量性状是一个遗传基础复杂的数量性状,是多个农艺性状综合作用的结果。基于连锁作图已定位出大量与产量性状相关的QTL,但由于受到环境、标记组合、试验设计、作图群体和统计方法等多种因素的影响,控制同一性状的QTL定位结果不尽相同。同时,大多数QTL定位采用初级作图群体,难以进行重复性鉴定,定位精度难以保证,进而影响QTL在分子标记辅助选择(MAS)的应用。因此,在现有结果的基础上,整合不同研究中控制产量相关性状的QTL定位结果,获得更为准确的数量性状位点,确定产量相关重要候选区域,挖掘重要候选基因,进而对将产量相关性状QTL定位结果用于玉米产量性状的MAS育种具有一定的指导作用。本研究采用严格的映射质量控制,运用两种元分析策略,整合玉米产量相关性状QTL信息,找出一致性QTL(MQTL),结合overview及heatmap结果确定热点MQTL (HotMQTL),挖掘HotMQTL区域内候选基因。同时,结合产量相关GEO和穗发育数字化基因表达谱(DGE)数据,筛选玉米产量及穗发育相关重要候选基因,并针对重要候选基因进行结构分析和功能预测。本试验主要研究结果如下：1.为了保证QTL元分析结果的准确性,本研究在映射过程中进行质量控制,将经过筛选得到的1319个高质量产量相关性状QTL成功映射到一致性图谱上,涉及产量、籽粒内含物、生育期、株型、株高等相关性状,共5大类44小类QTL。不同性状QTL在每条染色体上分布情况不同,且呈现成簇分布。2.单个性状overview分析结果与多个性状联合overview分析结果均显示每条染色体上RPL (Relative Probability Level, RPL)曲线存在多个峰值,两者分析结果一致性较好。Heatmap结果显示在不同染色体上不同性状的QTL存在明显的热点区域,而heatmap与overview结果一致性较好并相互验证,揭示出染色体上产量及其相关性状重要区域。3.采用两种策略进行元分析,首先,针对单个性状进行QTL元分析,共得到124个MQTL,进一步筛选得到82个HotMQTL.其中,产量相关HotMQTL30个,生育期、株型、株高、籽粒内含物相关HotMQTL数目分别为19、14、10、9。HotMQTL置信区间平均值为13.87cM,最小置信区间仅为0.22cM,最大置信区间为29.99cM,其中13个HotMQTL置信区间小于5cM,较原始QTL置信区间缩小了34.67%。将涉及不同性状的QTL元分析结果进一步整合,获得11个多效QTL。其次,针对作图群体亲本相同的QTL定位研究进行QTL元分析,结果发现获得一致性QTL的位置与前者分析结果一致性较好,且置信区间缩小。4.结合穗发育DGE分析结果,在HotMQTL区间内共获得1552个穗发育不同阶段差异表达基因,平均每个HotMQTL含有约20个差异表达基因；共获得1426个穗发育杂种优势差异表达基因,平均每个HotMQTL含有约17个差异表达基因。同源比对发现,在HotMQTL区域内共获得21个已克隆的水稻产量相关同源基因,涉及籽粒形状、籽粒充实度、株型等相关性状。利用GEO数据集,在一致性QTL区域内分别挖掘到了846个产量相关差异表达基因、197个籽粒发育相关差异表达基因及38个穗部特异表达基因。将以上候选基因合并构建玉米产量相关差异表达基因集、穗部发育差异表达基因集,分别含有1932、1554个差异候选基因。5.对两个差异基因集分别进行结构功能分析发现,差异基因主要参与了能量代谢、物质合成、信号转导等途径,这些途径与玉米产量及穗部发育密切相关。通过GO功能富集分析和pathway富集分析进一步明确了玉米产量和穗发育相关重要差异表达基因相应的功能及参与的通路。