中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (5): 821-837.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.002
周文期1(), 张贺通2, 何海军1, 龚佃明2, 杨彦忠1, 刘忠祥1, 李永生1, 王晓娟1, 连晓荣1, 周玉乾1(
), 邱法展2(
)
收稿日期:
2022-10-26
接受日期:
2022-12-25
出版日期:
2023-03-01
发布日期:
2023-03-13
通信作者:
周玉乾,E-mail:yuqianzhou2008@163.com。邱法展,E-mail:qiufazhan@mail.hzau.edu.cn
联系方式:
周文期,E-mail:zhouwenqi850202@163.com。
基金资助:
ZHOU WenQi1(), ZHANG HeTong2, HE HaiJun1, GONG DianMing2, YANG YanZhong1, LIU ZhongXiang1, LI YongSheng1, WANG XiaoJuan1, LIAN XiaoRong1, ZHOU YuQian1(
), QIU FaZhan2(
)
Received:
2022-10-26
Accepted:
2022-12-25
Published:
2023-03-01
Online:
2023-03-13
摘要:
【目的】株高是玉米株型育种的重要目标性状之一,不仅与玉米籽粒的机械化收获及抗倒伏相关,也与玉米产量密切相关。因此,挖掘玉米株高QTL/基因并解析其功能具有重要的理论和育种价值,定位一个新的玉米矮秆基因ZmDLE1,阐明其生物学功能,为加速改良玉米的株型提供重要的理论依据和基因资源。【方法】利用化学诱变剂甲基磺酸乙酯(EMS)诱变甘肃省农业科学院作物研究所自育玉米骨干自交系LY8405,M2后代分离获得一个单基因调控隐性遗传的玉米矮秆低穗位突变体,M3、M4后代能稳定遗传,命名为dwarf and low ear mutant1(Zmdle1),通过与Mo17杂交构建F2分离群体,借助极端性状混池测序分析法(BSA-seq)及目标区段重组交换鉴定的方法,基于Mo17参考基因组对目标区段内的基因进行挖掘和功能注释,定位候选基因。【结果】开展了Zmdle1表型鉴定,突变体Zmdle1苗期表型与对照LY8405无显著性差异,成熟期植株株高和穗位高较LY8405分别降低87.2和55.4 cm,为35.0%和62.9%,差异极显著。细胞形态学观察表明,穗下节间数减少及节间细胞长度缩短是导致Zmdle1的株高和穗位高显著降低的主要原因。利用F2﹕3遗传群体,进行突变基因的遗传分析,后代野生型和突变体植株分离比例符合3﹕1(χ2=2.854),说明突变基因为细胞核遗传的单隐性基因。因此,根据BSA-seq结果,将候选基因ZmDLE1初步定位在玉米第1染色体Bin1.09-1.10区段约15 Mb区间内,进一步利用Mo17和Zmdle1重测序结果开发多态性分子标记,通过图位克隆手段精细定位目标基因,最终将候选基因定位到约600 kb大小区间,该区间内有16个候选基因。比对重测序数据,发现Zm00001d033231在第2 062位置碱基G变成A,导致氨基酸由甘氨酸变成丝氨酸,且转录水平表达比LY8405极显著降低,Zm00001d033234第223位置碱基由T变成C,导致第75位氨基酸由丝氨酸变成脯氨酸,转录水平无显著差异,通过对该候选区段群体关联分析及功能注释发现,Zm00001d033231和Zm00001d033234均与玉米生长发育相关。【结论】定位到第1染色体末端Bin1.09区段候选基因ZmDLE1,有效调控玉米株高和穗位高,精细定位缩小目标区段至600 kb,区间内Zm00001d033231与株高显著关联。
周文期, 张贺通, 何海军, 龚佃明, 杨彦忠, 刘忠祥, 李永生, 王晓娟, 连晓荣, 周玉乾, 邱法展. 调控玉米株高和穗位高候选基因Zmdle1的定位[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 821-837.
ZHOU WenQi, ZHANG HeTong, HE HaiJun, GONG DianMing, YANG YanZhong, LIU ZhongXiang, LI YongSheng, WANG XiaoJuan, LIAN XiaoRong, ZHOU YuQian, QIU FaZhan. Candidate Gene Localization of ZmDLE1 Gene Regulating Plant Height and Ear Height in Maize[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(5): 821-837.
表1
本研究使用的部分引物序列"
引物名称Primer name | 正向引物 Forward primer (5′-3′) | 反向引物 Reverse primer (5′-3′) |
---|---|---|
Umc2047 | GACAGACATTCCTCGCTACCTGAT | CTGCTAGCTACCAAACATTCCGAT |
Umc1914 | CAACATGAGCGTGCTAAATACTCG | ACAGGAACACATGAGGTCATCAAA |
TIDP6556 | TCAAGGAGGTCATCCTCACC | ATCACATATCTTGACGCGAGG |
Umc1968 | CTTCCCCTCCGCTACTGCTC | GTACTTGGTGTTGTCGCTCTTCTTC |
Umc2612 | AACTCAGGTACTTCAATCCCACCC | TGTTGCCATCAACAGGTTAAAGAA |
Umc2510 | TCTGCGAATAGAACTTAAACAGGTTG | AGAGGTCCGGGAAGAACAAGTAGT |
BKN2-8 | GTGTCTGCGCTCGATCTGT | TGTGTGATGGTGGCCTGTTA |
1.10-14 | AGACGTAAGACGATGCGACA | TCATGGGTTGCAATGGTAAA |
MJD-52 | AGAACCACCACTGCCAAAAA | GCTCTCATCTTGCCAAAACC |
MJD-64 | GCCGCTTGTTTCTTTTCCTT | TTCCTTCATGGCTCACCTGT |
InDel-1 | GTTGAGTTGAGTGGAAGGTG | GACCAGAGGAGAAAGCACCC |
InDel-2 | CGCTTCTCGTCGGCTGTCTG | CAGCCCTCGACCACGGTAA |
InDel-3 | CGAATGGAGATGGAGGCGACAG | GGAAAACCGCCCGGATCGCTT |
InDel-5 | TCCCAATCTGTTCCGAGCCAG | CACCTCCGCCGAAAGCCCCT |
InDel-9 | GGACCAATTACACGTAGCCG | CTTCTGGACGGTTCTGTTGC |
InDel-13 | TTAGTCCTATTTAGAACCTC | CAAACTCACCCAATCCACAT |
InDel-22 | CCCGACATCCTCTGCTCACG | TAGAGCACCTCCGATAGTTC |
InDel-25 | ACTTCTTGGGTTGTTGTGC | ATCTGGCACGAGTCTGAGAGG |
InDel-26 | CCTCTGATCCTATCTCGTGCTT | CATTGCGTTTGTTCCTTTG |
表2
突变体Zmdle1和对照LY8405的农艺性状数据分析"
类型Type | 性状Trait | LY8405 | Zmdle1 | P值P-value | n |
---|---|---|---|---|---|
株型 Plant type | 株高Plant height (cm) | 248.9±21.8 | 161.7±23.8** | 1.40931E-08 | 100 |
穗位高Ear height (cm) | 88.1±16.5 | 32.7±11.4** | 1.82449E-09 | 100 | |
雄穗 Tassel | 雄穗分枝数Number of tassel branches | 11.1±3.1 | 8.1±1.8** | 0.001072267 | 30 |
雄穗长Tassel length (cm) | 50.4±2.6 | 50.3±2.3 | 0.545429534 | 30 | |
雌穗 Ear | 穗长Ear length (cm) | 13.2±1.8 | 12.3±2.3 | 0.164088327 | 30 |
穗粗Ear diameter (cm) | 4.2±0.2 | 4.4±0.4 | 0.156854806 | 30 | |
轴粗Corncob thickness (cm) | 2.6±0.2 | 3.2±0.2* | 0.116425574 | 30 | |
穗行数Number of rows per ear | 16.7±1.7 | 16.0±2.0 | 0.543525975 | 30 | |
行粒数Row number | 18.8±2.3 | 16.9±3.4 | 0.173632692 | 30 | |
叶型 Blade profile | 倒3叶长The third top leaf length (cm) | 38.1±6.0 | 45.0±3.8* | 0.032741731 | 30 |
倒3叶宽The third top leaf width (cm) | 8.2±0.9 | 6.7±0.4** | 0.002881444 | 30 | |
剑叶长Flag leaf length (cm) | 25.2±3.7 | 30.0±5.6 | 0.119644254 | 30 | |
剑叶宽Flag leaf width (cm) | 4.4±0.4 | 4.5±0.9 | 0.938315361 | 30 | |
粒型 Grain dimension | 粒长Grain length (cm) | 1.13±0.30 | 1.04±0.20** | 4.07025E-05 | 100 |
粒宽Grain width (cm) | 0.78±0.03 | 0.84±0.04* | 0.01070802 | 100 | |
千粒重Thousand seed weight (g) | 289.5±15.6 | 305.1±22.7 | 0.55039481 | 1000 |
表5
区段内候选基因"
候选基因 Candidate gene | 蛋白类型 Protein type and putative function | 基因位置 Position (bp) | 表达差异(P值) Differential expression (P value) |
---|---|---|---|
Zm00001d033229 | 假设蛋白Hypothetical protein | 255233719—255234639 | 0.620542 |
Zm00001d033230 | 类受体蛋白29 Receptor like protein 29 | 255243582—255245348 | 0.505878 |
Zm00001d033231 | 扩张蛋白B4 Expansin B4 | 255266246—255275500 | 0.001218** |
Zm00001d033232 | 花粉Ole e1过敏原和扩展蛋白家族蛋白 Pollen Ole e1 allergen and extensin family protein | 255276609—255280338 | 0.974205 |
Zm00001d033233 | 类水解酶蛋白质Hydrolase-like protein | 255287266—255290302 | 0.008914** |
Zm00001d033234 | 蛋白激酶PINOID Protein kinase PINOID | 255293638—255295053 | 0.1486 |
Zm00001d033235 | 未知蛋白Unknown | 255315224—255316506 | 0.48863 |
Zm00001d033236 | 未知蛋白Unknown | 255319161—255321117 | 0.373901 |
Zm00001d033237 | L型植物凝集素类受体蛋白激酶 L-type lectin-domain containing receptor kinase | 255361226—255391452 | 0.466955 |
Zm00001d033238 | 未知功能Unknown | 255391827—255391899 | #DIV/0! |
Zm00001d033239 | 未知功能Unknown | 255392565—255392637 | #DIV/0! |
Zm00001d033240 | 感光性NPH3家族蛋白Phototropic-responsive NPH3 family protein | 255510009—255515376 | 0.125879 |
Zm00001d033241 | 阳离子氨基酸转运体4 Cationic amino acid transporter 4 | 255565519—255569235 | 0.139972 |
Zm00001d033244 | 转导蛋白/WD40重复样超家族蛋白 Transducin/WD40 repeat-like superfamily protein | 255748790—255757682 | 0.698459 |
Zm00001d033246 | HD-Zip蛋白Class Ⅲ HD-Zip protein Ⅲ | 255864303—255869980 | 0.770706 |
Zm00001d033247 | 转导蛋白/WD40类重复超家族蛋白 Transducin/WD40 repeat-like superfamily protein | 255988480—256003180 | 0.137846 |
[1] |
周文期, 周玉乾, 刘忠祥, 连晓荣, 王晓娟, 何海军, 杨彦忠, 寇思荣. 12C6+重离子束辐照玉米后代的生物学效应. 核农学报, 2019, 33(12): 2311-2318.
doi: 10.11869/j.issn.100-8551.2019.12.2311 |
|
|
[2] |
周文期, 王晓娟, 寇思荣, 李艳春, 何海军. 玉米叶夹角形成的分子调控机理研究. 土壤与作物, 2019, 8(3): 339-348.
|
|
|
[3] |
doi: 10.1111/tpj.12038 pmid: 23020630 |
[4] |
doi: 10.1038/416701a |
[5] |
|
[6] |
doi: 10.1038/22307 |
[7] |
doi: 10.1534/genetics.113.159152 pmid: 24514905 |
[8] |
doi: 10.1007/s00122-011-1551-6 pmid: 21359559 |
[9] |
doi: 10.1126/science.1086072 |
[10] |
doi: 10.1093/jxb/erv182 pmid: 25922491 |
[11] |
周文期, 连晓荣, 刘忠祥, 周玉乾, 赵小强. 玉米株高和穗位高的调控机理研究. 分子植物育种, 2021, 19(23): 7965-7976.
|
|
|
[12] |
马雅杰, 高悦欣, 李依萍, 龙艳, 董振营, 万向元. 玉米株高和穗位高的遗传基础与分子机制. 中国生物工程杂志, 2021, 41(12): 61-73.
|
|
|
[13] |
doi: 10.1371/journal.pone.0030798 |
[14] |
doi: 10.1038/nature12583 |
[15] |
doi: 10.1038/90135 pmid: 11431702 |
[16] |
doi: 10.1002/ajb2.1955.42.issue-10 |
[17] |
|
[18] |
doi: 10.1111/pbi.v18.6 |
[19] |
doi: 10.1105/tpc.109.068221 |
[20] |
doi: 10.1016/s0031-9422(02)00656-8 pmid: 12591256 |
[21] |
doi: 10.1126/science.144.3620.849 |
[22] |
doi: 10.1104/pp.114.247486 pmid: 25341533 |
[23] |
doi: 10.1104/pp.112.204503 pmid: 22961131 |
[24] |
|
[25] |
doi: 10.1104/pp.88.4.1367 |
[26] |
doi: 10.1093/jxb/erv554 pmid: 26767748 |
[27] |
doi: 10.1104/pp.16.00399 |
[28] |
doi: 10.1242/dev.01671 |
[29] |
doi: 10.1093/pcp/pcq153 pmid: 20937610 |
[30] |
doi: 10.1105/tpc.10.11.1875 |
[31] |
doi: 10.1371/journal.pone.0037040 |
[32] |
doi: 10.1105/tpc.110.075267 pmid: 21335375 |
[33] |
|
[34] |
doi: 10.1104/pp.15.00367 pmid: 26162429 |
[35] |
|
[36] |
|
[37] |
doi: 10.1111/pbi.12751 pmid: 28499064 |
[38] |
doi: 10.1126/science.273.5280.1406 pmid: 8703079 |
[39] |
doi: 10.1007/s11103-005-1674-8 |
[40] |
周文期, 寇思荣, 连晓荣, 杨彦忠, 刘忠祥, 王晓娟, 何海军, 周玉乾. 水稻和玉米叶表皮突变体的筛选和鉴定. 植物生理学报, 2020, 56(2): 189-199.
|
doi: 10.1111/ppl.1982.56.issue-2 |
|
[41] |
周文期, 连晓荣, 周玉乾, 王兴荣, 杨彦忠, 刘忠祥, 王晓娟, 何海军, 寇思荣. EMS诱变玉米自交系种质创新应用. 玉米科学, 2020, 28(6): 31-38.
|
|
|
[42] |
doi: 10.1038/nbt.2095 pmid: 22267009 |
[43] |
周文期, 刘忠祥, 王晓娟, 何海军, 周玉乾, 杨彦忠, 连晓荣, 李永生. 利用BSA-Seq方法快速定位作物农艺性状QTL/基因概述. 甘肃农业科技, 2022, 53(4): 1-10.
|
|
|
[44] |
doi: 10.1007/s10681-006-9312-3 |
[45] |
doi: 10.1186/1471-2229-11-4 pmid: 21211047 |
[46] |
doi: 10.1007/s11103-013-0129-x pmid: 24214124 |
[47] |
孙强, 任姣姣, 徐晓明, 李宗泽, 黄博文, 陈占辉, 吴鹏昊. 玉米株高和穗位高QTL定位和全基因组选择探究. 玉米科学, 2022, 30(4): 40-47.
|
|
|
[48] |
doi: 10.1007/s11032-009-9298-3 |
[49] |
doi: 10.1016/s1369-5266(00)00211-9 pmid: 11641069 |
[50] |
doi: S1369-5266(17)30199-1 pmid: 30142487 |
[51] |
doi: 10.1074/jbc.L120.013410 |
[52] |
doi: 10.1105/tpc.011965 |
[53] |
|
[54] |
doi: 10.1242/dev.030353 pmid: 19633168 |
[55] |
doi: 10.1093/mp/ssr034 pmid: 21505044 |
[56] |
doi: 10.1093/pcp/pcm024 pmid: 17303594 |
[57] |
doi: 10.1111/pbi.v18.8 |
[58] |
doi: 10.1111/j.1467-7652.2011.00637.x pmid: 21777365 |
[59] |
|
[1] | 崔红杰, 卢春亭, 潘丽琴, 胡会, 钟佩云, 朱洁莹, 张凯照, 黄小红. 姜黄素通过SIRT1/FOXO1通路缓解玉米赤霉烯酮诱导的猪肾上皮细胞氧化损伤[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 1007-1018. |
[2] | 王脉, 董清峰, 高珅奥, 刘德政, 卢山, 乔朋放, 陈亮, 胡银岗. 小麦苗期根系性状的全基因组关联分析与优异位点挖掘[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 801-820. |
[3] | 杨明路, 张海亮, 罗汉鹏, 黄锡霞, 张翰林, 章施施, 王炎, 刘林, 郭刚, 王雅春. 基于智能项圈系统荷斯坦牛发情相关指标的遗传参数估计及全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 995-1006. |
[4] | 马南, 安婷婷, 张久明, 汪景宽. 添加玉米秸秆和根茬对不同肥力黑土微生物残体碳氮的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(4): 686-696. |
[5] | 刘丹, 安雨丽, 陶笑笑, 王孝忠, 吕典秋, 郭彦军, 陈新平, 张务帅. 西北地区制种玉米产量及氮素吸收对供氮水平的响应[J]. 中国农业科学, 2023, 56(3): 441-452. |
[6] | 赵政鑫,王晓云,田雅洁,王锐,彭青,蔡焕杰. 未来气候条件下秸秆还田和氮肥种类对夏玉米产量及土壤氨挥发的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(1): 104-117. |
[7] | 柴海燕,贾娇,白雪,孟玲敏,张伟,金嵘,吴宏斌,苏前富. 吉林省玉米穗腐病致病镰孢菌的鉴定与部分菌株对杀菌剂的敏感性[J]. 中国农业科学, 2023, 56(1): 64-78. |
[8] | 李周帅,董远,李婷,冯志前,段迎新,杨明羡,徐淑兔,张兴华,薛吉全. 基于杂交种群体的玉米产量及其配合力的全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(9): 1695-1709. |
[9] | 熊伟仡,徐开未,刘明鹏,肖华,裴丽珍,彭丹丹,陈远学. 不同氮用量对四川春玉米光合特性、氮利用效率及产量的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(9): 1735-1748. |
[10] | 李易玲,彭西红,陈平,杜青,任俊波,杨雪丽,雷鹿,雍太文,杨文钰. 减量施氮对套作玉米大豆叶片持绿、光合特性和系统产量的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(9): 1749-1762. |
[11] | 马小艳,杨瑜,黄冬琳,王朝辉,高亚军,李永刚,吕辉. 小麦化肥减施与不同轮作方式的周年养分平衡及经济效益分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(8): 1589-1603. |
[12] | 李前,秦裕波,尹彩侠,孔丽丽,王蒙,侯云鹏,孙博,赵胤凯,徐晨,刘志全. 滴灌施肥模式对玉米产量、养分吸收及经济效益的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(8): 1604-1616. |
[13] | 刘硕,张慧,高志源,许吉利,田汇. 437个小麦品种钾收获指数的变异特征[J]. 中国农业科学, 2022, 55(7): 1284-1300. |
[14] | 张家桦,杨恒山,张玉芹,李从锋,张瑞富,邰继承,周阳晨. 不同滴灌模式对东北春播玉米籽粒淀粉积累及淀粉相关酶活性的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(7): 1332-1345. |
[15] | 职蕾,者理,孙楠楠,杨阳,Dauren Serikbay,贾汉忠,胡银岗,陈亮. 小麦苗期铅耐受性的全基因组关联分析[J]. 中国农业科学, 2022, 55(6): 1064-1081. |
|