摘要
氮是植物生长发育必不可少的矿质营养元素，然而农业生产中往往存在氮肥过度施用的问题。大量的氮肥投入不仅没有获得实质上的产量提升，反而造成极大的资源浪费和严重的环境污染，不利于农业的可持续发展。玉米作为一种重要的粮、经、饲多功能作物，同时也是全球种植范围最广、面积最大、产量最高的作物之一，具有重要的社会经济价值。因此，剖析玉米氮效率遗传基础，发掘玉米氮效率基因，对提高玉米产量，减少氮肥使用量和防治农业污染具有重要意义。 本研究以139份玉米自交系为研究材料，采用大田试验的方法，设置施氮（+N）和不施氮（±N）两个处理，研究了不同氮处理对玉米氮效率相关（NUE-related）性状的影响，并基于 139 份玉米自交系的基因型信息对该群体进行了群体结构分析，进一步开展了 SNP 标记与 NUE-related 性状的全基因组关联分析（GWAS)，最后对与NUE-related 性状显著关联的位点进行了候选基因预测。主要的结果如下： 1、无论在 +N 还是 ±N 条件下，群体中所有NUE-related 性状都存在较大程度变异，且具有较高的遗传力（71.5%—85.7%）。除了 NHI 之外，其余 NUE-related 性状在不同氮水平间均存在显著差异。且无论在 +N还是 ±N条件下，NutE 与 NUE 之间的偏相关系数（0.76—0.88）和通径系数（0.63—0.66）都高于 NupE 与 NUE 之间的偏相关系数（0.52—0.80）和通径系数（0.13—0.40）。基于 NUE-related 性状（△±N-+N）的聚类分析将 139 份玉米自交系分成 4 种类型。 2、以遗传成分大于 60% 为划分依据将 139 份玉米自交系划入 7 个亚群和 1 个混合群，P3、P4和P6 这 3个亚群彼此之间的遗传距离较远。群体内大部分材料间的亲缘关系系数小于 0.1，不存在明显的亲缘关系。当 r2=0.1 时，全基因组LD 衰减距离为 ~200 kb，第 1和第 2 染色体的 LD 衰减距离最短，为 ~100 kb，其次为第 5 染色体，LD 衰减距离为 ~150 kb；第 4和第 9 染色体的 LD 衰减距离最长，为 ~330 kb，其他染色体的 LD 衰减距离与全基因组的 LD 衰减距离大致相同。 3、采用 FarmCPU 方法开展氮效率相关性状的 GWAS，在不同氮水平下共检测到50 个与 NUE-related 性状显著关联的 SNP 位点，这些 SNP 位点在玉米的 10 条染色体上均有分布。第 10 染色体上分布的 SNP 位点最多，为 11 个，第 5和第 8 染色体上分布的 SNP 位点最少，分别为 2 个。其中 +N 条件下检测到 27 个显著的 SNP位点， ±N 条件下检测到 23 个显著的 SNP 位点。这些 SNP 位点的 P 值介于8.73×10-05到 3.93×10-13之间。 4、根据检测到的 50 个 NUE-related 性状显著遗传位点，在 LD（r2=0.1）区间内共预测到 32 个可能的氮效率候选基因，其中在 +N和±N 条件下分别预测了 20个和 12 个候选基因。基因注释和基因本体学（GO）分析揭示出这些基因编码的蛋白主要功能包括核酸代谢、氨基酸代谢、蛋白质代谢、水解酶活性、跨膜转运和转录调节等。其中 29 个基因参与到了含氮衍生物（核酸、蛋白质、氨基酸等）的代谢过程中， 5 个基因参与到了转录调节过程，2个基因具有运输功能。
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