控制菌根共生效率玉米基因的定位與功能互補(bǔ).pdf

1、玉米（Zea mays L.）不但是重要的糧食作物，還是重要的飼料來源、工業(yè)原料，在糧食供給和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面起著不可或缺的作用。叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizalfungi，AMF)是一種最常見的內(nèi)生菌根真菌，能與80％以上的陸地植物形成互惠共生體—叢枝菌根(Arbuscular mycorrhiza，AM)，AM不僅能夠促進(jìn)植物對(duì)水分和礦質(zhì)元素特別是P素的吸收，改善植物營(yíng)養(yǎng)狀況，還能增強(qiáng)植物對(duì)生物和非生物脅迫的抗

2、性，從而提高植物的產(chǎn)量和質(zhì)量。高共生效率是叢枝菌根共生體系的關(guān)鍵起始因素，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)AMF與玉米間互作的研究集中在抗鹽、抗旱、抗重金屬污染等領(lǐng)域，而針對(duì)玉米同AMF共生效率的研究還未有報(bào)道，尚未從玉米遺傳種質(zhì)中鑒定出控制玉米同AMF共生效率的基因。隨著單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，基于連鎖不平衡(LD)的全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)為復(fù)雜數(shù)量性狀的研究開辟了新

3、途徑。本研究利用380份玉米自交系，對(duì)玉米同AMF共生效率的性狀進(jìn)行了GWAS分析，定位到一個(gè)主效基因并對(duì)其進(jìn)行了功能驗(yàn)證，為進(jìn)一步利用基因資源開展分子標(biāo)記育種提供了研究目標(biāo)。
　　本研究發(fā)現(xiàn)，同番茄相比，玉米B73接種叢枝菌根真菌Rhizophagus irregularis也能夠建立良好的共生關(guān)系，根系侵染率達(dá)到50％。同促進(jìn)番茄生長(zhǎng)類似，R.irregularis可顯著提高B73的莖長(zhǎng)、地上部鮮重，同時(shí)提高B73對(duì)玉米紋枯病

4、菌(Rhizoctonia solaniKühn)的抗性。商品化玉米鄭單958和先玉335的R.irregularis根系侵染率都低于10％，盆栽實(shí)驗(yàn)和大田實(shí)驗(yàn)共同證實(shí)，R.irregularis對(duì)鄭單958和先玉335的莖長(zhǎng)、莖粗和玉米產(chǎn)量都無顯著影響。說明菌根真菌在玉米上的有效利用，首先需要從遺傳上改良共生效率。為鑒定玉米中影響玉米與叢枝菌根真菌共生關(guān)系的關(guān)鍵基因，我們選取了380份玉米自交系并接種R.irregularis，調(diào)查了

5、共生效率。發(fā)現(xiàn)AMF在這些自交系中的侵染率分布為0％～100％，遺傳差異顯著。
　　以侵染率作為遺傳表型，利用覆蓋全基因組的550000個(gè)SNP標(biāo)記，對(duì)其中數(shù)據(jù)完善的303份玉米材料的根系侵染率進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析。通過比較四個(gè)模型GLM模型、Q模型、K模型和Q+K模型，發(fā)現(xiàn)Q模型最適合進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析。在Q模型下，共檢測(cè)到27個(gè)顯著性SNPs，分布在位于第2、4、5、7號(hào)不同染色體上的5個(gè)基因(MSERG1～5，P＜1×10

6、-4)上，這5個(gè)基因確定為控制玉米與R.irregularis共生效率相關(guān)基因的候選基因。以顯著性最高的MSERG4基因?yàn)檠芯繉?duì)象，從玉米突變體庫(kù)中檢索到3個(gè)等位突變體，通過對(duì)鑒定的純合突變體進(jìn)行接種R.irregularis并分析共生效率，同野生型相比，MSERG4-1、MSERG4-2和MSERG4-3在接種R.irregularis后，根系A(chǔ)MF侵染率極顯著提高，從而證明MSERG4基因與R.irregularis同與玉米的共生效

7、率相關(guān)。進(jìn)一步的研究表明，突變體葉片中無機(jī)磷含量下降，莖中含量顯著升高，而根中則顯著降低。說明MSERG4不僅能夠負(fù)調(diào)控玉米根系與AMF的共生關(guān)系，并能影響菌根玉米植株中無機(jī)磷的分布，這暗示MSERG4很可能通過影響植物對(duì)無機(jī)磷的吸收來調(diào)控共生過程。
　　由于AMF與作物共生具有廣譜性特點(diǎn)，為探討MSERG4基因參與調(diào)節(jié)共生效率的功能在不同物種中是否具有保守功能，我們通過同源比對(duì)的方法確定了水稻、煙草、番茄中的同源基因，并利用突變