玉米农艺性状配合力全基因组关联分析和预测

玉米农艺性状配合力全基因组关联分析和预测

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内蒙古赤峰市克什克腾旗达日罕乌拉苏木 综合保障和技术推广中心

内蒙古赤峰市   235071

摘要：玉米传入中国400多年来飞速发展，种质资源举足轻重。高产、优质和抗病虫的优质基因是提高作物产量的重中之重。在传统的育种工作中，育种范围相对狭窄，操作精准度较低，良莠混杂，无法准确选择，实际的选育周期较长，并且选育效果也不理想。

关键词：一般配合力；多位点全基因组关联分析；基因组选择

引言

玉米（ZeamaysL.）是杂种优势利用最成功的作物之一，主要体现在单交种的生产和利用上。在玉米杂交育种中，选育高配合力的亲本材料是培育高产杂交种的先决条件。一般配合力（generalcombiningability，GCA）是指一个自交系与其他自交系组配后代在某个性状的平均表现，是评价亲本自交系利用价值的一个重要指标。因此解析GCA的遗传机理对玉米杂交种产量的提高具有重要意义。

1实验方法

1.1玉米CaM基因家族的筛选与鉴定

利用多个网站搜索玉米CaM基因家族，在玉米基因组网站(https://www.maizegdb.org/)输入关键词Calmodulin搜索玉米CaM基因；在拟南芥功能基因组数据库(http://www.arabidopsis.org/)搜索模式生物拟南芥的CaM蛋白，然后在NCBI网站(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)和MaizeGDB网站进行BLAST比对，筛选出相似性在一定范围的(NCBI上大于40%，MaizeGDB上为100%)玉米CaM蛋白。对以上结果进行汇总，剔除重复，筛选出玉米CaM基因家族。

1.2BC2F2遗传分离群体的构建

前期研究经过正反交测定，Zmdle1表型是核单基因隐性遗传突变引起。利用Zmdle1与LY8405进行2代回交，纯化突变基因，获得Zmdle1BC2材料，再与不同基因型自交系Mo17杂交，F1代自交，构建BC2F2分离群体，从F2中分离Zmdle1纯合株，用于候选基因ZmDLE1的定位。

1.3基因型检测和分析

131份玉米自交系（123份自交系和8个测验种）叶片的DNA采用CTAB方法提取。利用玉米5.5K液相育种芯片（河南省农业科学院粮食作物研究所）根据液相探针杂交原理进行靶向测序基因型鉴定，测序平台为NovaSeq6000（Illumina，美国）。利用BWA（v0.7.17）软件将过滤的reads与玉米B73第四版参考基因组（http：//www.gramene.org/）比对。利用GATK（v4.1.2.0）软件检测原始变异位点33971个。经过最小等位基因频率<0.05，缺失率>10%和杂合率>1%的过滤，获得11734个高质量单核苷酸多态性用于后续分析。

2结果与分析

2.1　一般配合力效应表现统计结果

综合环境穗行数和籽粒性状GCA效应值的描述性统计见图1。以综合环境为例，穗行数、粒长和粒宽GCA效应值分别介于-2.85~2.62、-0.086~0.081和-0.062~0.069（图1-A、B）。8个测验种在3个性状中表现不一：对于穗行数，测验种中正向GCA最高的是20H1419，为1.95~2.44，其次是昌7-2（0.77~1.03），M189和PH4CV的配合力负向最高，为-1.39~-1.25（图1-C）；粒长正向和负向GCA表现最好的测验种分别是农系531和20H1419，而粒宽正向GCA效应值最高的是M119，负向最高的是20H1419（图1-D）。

图1不同环境穗行数、粒长和粒宽一般配合力效应值统计

2.2Zmdle1与LY8405成熟期PH和EH的差异性

野生型LY8405成熟期株高平均为248.9cm，穗位高为88.1cm；Zmdle1株高为161.7cm，与LY8405相比，平均降低了87.2cm，约下降35.0%，穗位高仅为32.7cm，平均降低了55.4cm，约下降62.9%，差异极显著（P＜0.01）；Zmdle1分别与Mo17和B73杂交，F2后代分离到表型稳定的Zmdle1。对Zmdle1和LY8405植株节间数及节间长度进行统计分析，发现LY8405和Zmdle1总节间数相同，都有15个节间（部分Zmdle1共14节），但是LY8405穗上共8节，穗下7节，而Zmdle1穗上9节或8节，穗下6节，Zmdle1穗位降低一个节间，且穗位节、穗上3节和穗下3节长度均极显著减小，说明穗下节间数减少及节间长度缩短是导致Zmdle1的PH和EH显著降低的主要原因。

3讨论

目前，已经在多个物种中鉴定到CaM基因家族存在多个成员，如拟南芥中7个CaM基因编码4种蛋白，其序列间仅相差1～5个氨基酸；水稻中5个CaM基因编码3种蛋白，序列相似值高达97%以上；小麦中40个CaM基因编码13个CaM蛋白，序列间氨基酸也是极为相似；葡萄中有3个CaM基因，属于同一亚家族[10]，在大豆、烟草中也有相关的报道。本研究从玉米基因组鉴定出了14个ZmCaM基因，这些基因编码了3种蛋白亚型，共14个蛋白。由此看出，同为禾本科植物，CaM基因家族成员有较大差别，玉米与小麦的CaM成员较为相似，而与水稻差异较大。从玉米中鉴定获得的14个钙调素成员属于酸性蛋白质，主要定位于细胞质中，含有150个左右的氨基酸，分子量为16.8kD，从保守域分析结果来看，都含有3～4个EF结构域，符合钙调素的保守特征。这些结果为进一步研究玉米CaM基因功能打下良好的基础。

结束语

过去，玉米所到之处，都给当地带来了繁荣，现在、未来，亦是如此。玉米作为全球第一大粮食作物，有170多个国家种植玉米。随着全球化的推进，科研、企业的同场竞技愈发激烈，玉米产业迎来了新的机遇，更面临着全新挑战。生物育种势头正猛，如何创制优质种质资源、研究饲用玉米已成为广大育种工作者需要解决的关键问题。农业生产的发展，良种是关键，借助转基因技术可实现基因重组，提高优良品种的选育效率。在具体实践过程中，相关人员还需在已有研究成果的基础上，结合实际情况，加强新型品种的研究，加深对玉米自交系、杂交系和农家品种的遗传多样性的研究，重点选择关键性状进行基因定位作图，加强种质创新，提高育种效率。在加强转基因技术研究的同时，需密切关注转基因玉米的安全性，评估其对生态环境的影响，使转基因技术走向适用化。

参考文献

[1]罗平,庞博,崔进鑫,于爽,王晓楠,程名,陈勇,高文伟,郝转芳.玉米SNAC转录因子的基因结构特征与逆境调控预测[J].中国农业科技导报,2021,23(10):35-44.

[2]刘洋,柳青,陈子奇,袁英,康领生,刘相国,李毅丹,胡阳,尹悦佳,郭嘉.转AtGA2ox1基因玉米自交系和杂交种的耐旱性分析[J].玉米科学,2021,29(05):65-72.

[3]单露英,李俊,李亮,张丽,王颢潜,高佳琪,吴刚,武玉花,张秀杰.转基因玉米NK603基体标准物质研制[J].作物学报,2022,48(05):1059-1070.

[4]何永辉,王瑞泽,赵烨,刘欢欢,张钰,孙倩,印志同.驯化对玉米Rubisco活化酶基因RCAβ序列变异的影响[J].扬州大学学报(农业与生命科学版),2021,42(05):78-85.

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