玉米產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀的數(shù)量遺傳研究及玉米鋁粒子脅迫的基因差異表達(dá)研究.pdf

1、玉米是主要的糧食和飼料作物，經(jīng)濟(jì)地位十分重要，玉米雜種優(yōu)勢的利用是農(nóng)作物雜種優(yōu)勢利用最成功的例證之一。玉米重要產(chǎn)量性狀和農(nóng)藝性狀的遺傳特點(diǎn)及雜種優(yōu)勢產(chǎn)生機(jī)理，一直是科學(xué)家們廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題。本研究以“豫玉22號”(綜3×87-1)的F2：3家系為材料，在構(gòu)建分子標(biāo)記遺傳連鎖圖的基礎(chǔ)上，通過一年兩點(diǎn)的田間試驗，研究玉米重要性狀的遺傳特點(diǎn)及雜種優(yōu)勢機(jī)理。鋁害是酸性土壤中影響玉米生產(chǎn)的最主要限制因子，玉米耐鋁性的遺傳改良是提高酸性土壤生產(chǎn)力

2、的主要出路，但是玉米耐鋁及鋁離子脅迫反應(yīng)的機(jī)理還不十分清楚。本研究的另一個內(nèi)容就是以鋁敏感玉米自交系Mo17、耐鋁玉米自交系TL94B為材料，通過SSH的方法，構(gòu)建SSH-cDNA文庫，研究鋁離子脅迫條件下的基因差異表達(dá)。本研究取得了以下主要結(jié)果： 1.對8個玉米重要產(chǎn)量性狀的遺傳特點(diǎn)及雜種優(yōu)勢的分析表明，在F1和F2：3家系中，雜種優(yōu)勢強(qiáng)弱的順序依次為穗粒重、行粒數(shù)、穗長、行數(shù)、穗粗，而出籽率和百粒重的雜種優(yōu)勢相對較低。雜種優(yōu)

3、勢強(qiáng)弱與性狀的變異系數(shù)相關(guān)顯著。 2.性狀相關(guān)分析表明，與單株產(chǎn)量相關(guān)程度最高的依次是行粒數(shù)、穗粗、百粒重、出籽率、穗長5個性狀；穗長與穗粗呈極顯著負(fù)相關(guān)；穗長與行粒數(shù)、禿尖長極顯著正相關(guān)；行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重3個單株產(chǎn)量構(gòu)成因子之間相互制約，表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)。主成分分析表明，對單株產(chǎn)量表現(xiàn)影響最大的依次是行粒數(shù)因子、穗粗因子、行數(shù)因子、穗長因子、禿尖長因子、百粒重因子。豫玉22作為大穗型的第五代玉米品種，其行粒數(shù)和穗粗對單株

4、產(chǎn)量的貢獻(xiàn)增強(qiáng)，而穗長的影響略有下降，但貢獻(xiàn)率依然較大。 3.對5個玉米重要農(nóng)藝性狀的研究表明，穗位高和雄穗分支數(shù)具有很高的遺傳力，莖粗、抽雄期和吐絲期的遺傳力相對較低。相關(guān)分析表明，穗位高、雄穗分支數(shù)、莖粗與單株產(chǎn)量存在顯著的正相關(guān)。抽雄期與吐絲期高度正相關(guān)，雄穗分支數(shù)和莖粗顯著正相關(guān)。 4.借助于分子標(biāo)記連鎖圖，結(jié)合田間試驗的數(shù)據(jù)，對5個重要農(nóng)藝性狀進(jìn)行了QTL定位。共定位了7個穗位高QTL，9個雄穗分支數(shù)QTL，8

5、個莖粗QTL，9個QTL抽雄期，7個吐絲期QTL。QTL位點(diǎn)具有染色體分布不均勻的特點(diǎn)，染色體上存在QTL分布的集中區(qū)域和稀少區(qū)域，暗示數(shù)量性狀間的表型相關(guān)源于控制數(shù)量性狀的QTL位點(diǎn)的相關(guān)。 5.利用玉米耐鋁自交系TL94B和鋁敏感自交系Mo17，通過SSH，分別構(gòu)建了它們的正向和反向消減文庫。文庫的插入片段的長度介于250bp～1.0kb之間，平均長度在550bp左右。通過差別雜交進(jìn)行陽性克隆的篩選，從Mo17-F文庫中篩選

6、到陽性克隆124個，Mo17-R文庫中篩選到47個，TL94B-F文庫中篩選到103個，TL94B-R文庫中篩選64個。 6.通過測序分析最終獲得差異表達(dá)的232種EST序列，其中有70.2％的EST序列可推測其功能，包括6.0％的基礎(chǔ)代謝相關(guān)基因，8.2％的能量代謝相關(guān)基因，5.2％的蛋白質(zhì)合成相關(guān)基因，7.3％的蛋白質(zhì)加工相關(guān)基因，12.5％的轉(zhuǎn)錄及其調(diào)控相關(guān)基因，7.8％的信號傳導(dǎo)相關(guān)基因，7.9％的物質(zhì)運(yùn)輸相關(guān)基因，9.

7、9％的疾病及防御反應(yīng)相關(guān)基因；剩下的29.8％為功能未知的EST序列，包含21條新發(fā)現(xiàn)的EST序列。 7.采用反向Northern的方法，篩選耐鋁相關(guān)的基因，結(jié)果獲得了16種耐鋁相關(guān)的候選基因。對依賴于NAD的異檸檬酸脫氫酶、GDP解離抑制因子、細(xì)胞分裂蛋白類FtsH蛋白酶、丙酮酸脫氫酶E1β亞基、SNF2結(jié)構(gòu)域蛋白、6-磷酸葡萄糖脫氫酶等重要基因，比較了它們在Mo17和TL94B之間的表達(dá)特點(diǎn)的時空差異。 8.采用RA

8、CE技術(shù)，得到了玉米依賴NAD的異檸檬酸脫氫酶基因的全長cDNA序列，序列全長1117bp，其中編碼區(qū)長765bp，編碼255個氨基酸；將該基因在玉米與擬南芥、油菜、煙草、番茄之間進(jìn)行了序列多重比對，比較了它們之間的異同。采用電子克隆的策略，獲得了玉米GDP解離抑制因子基因的候選cDNA序列，序列全長為1812bp，編碼區(qū)全長1239bp，編碼413個氨基酸。 9.本研究獲得了11種與糖酵解和TCA循環(huán)等代謝途徑相關(guān)的EST，其

9、中包括上調(diào)表達(dá)的丙酮酸激酶、丙酮酸脫氫酶、丙酮酸脫羧酶、異檸檬酸脫氫酶等關(guān)鍵基因，以及下調(diào)表達(dá)的乙醛酸途徑調(diào)節(jié)子基因的EST。這些EST的獲得，為鋁離子誘導(dǎo)有機(jī)酸分泌的現(xiàn)象，從基因表達(dá)水平提供了豐富的分子證據(jù)，并從代謝途徑方面進(jìn)行了合理解釋。本研究還獲得了15種與細(xì)胞信號傳導(dǎo)有關(guān)的EST，分析信號傳遞系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系表明，鋁離子脅迫的信號傳導(dǎo)涉及MAPK信號系統(tǒng)、鈣調(diào)素信號系統(tǒng)和磷酸肌醇信號系統(tǒng)，生長素、脫落酸和乙烯這三種植物激素也參與了