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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.
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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 |
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