摘要
甜玉米是由一个或几个基因发生隐性突变并纯合，导致胚乳中淀粉合成减少而糖份增加的栽培玉米类型。近年来，我国甜玉米种植面积迅速扩大，一些高产、适应性强的新品种相继涌现，但是对于品质育种方面，特别是果皮较薄、柔嫩度较好的新品种的选育，与发达国家还存在较大差距。甜玉米果皮厚度是一个复杂的数量性状，是决定甜玉米食用品质的关键因素之一，目前关于甜玉米果皮厚度的研究较少，控制甜玉米果皮厚度的基因克隆以及果皮厚度差异形成过程中相关基因的表达网络与调控机制尚未明确。本研究利用两个亲缘关系较远、果皮厚度差异较大的甜玉米自交系构建的148个BC4F4群体为材料，通过简化基因组测序构建了甜玉米高密度连锁遗传图谱，对果皮厚度相关性状进行QTL定位，鉴定控制果皮厚度的主效基因，再结合转录组、miRNA以及代谢组学联合分析，探究果皮厚度差异形成过程中的关键基因、miRNA以及代谢物的调控网络，解析甜玉米果厚度差异形成的分子机制。主要研究结果如下： 1.利用SLAF-seq技术对M03和M08两个亲本以及148份BC4F4群体进行简化基因组测序，共开发163,229个SLAF标签，共有3876个SNP标记用于连锁图谱的构建。图谱总长度2413.25cM，平均标记间距离0.62cM。基于高密度连锁遗传图谱，结合三种不同方法测得的三季果皮厚度表型，对果皮厚度进行QTL定位，共鉴定到24个QTL，其中qPT10-5，区间大小为901.2Kb在三季中均被检测到，可以解释7.78-13.84%的表型变异，表明qPT10-5是控制甜玉米果皮厚度的稳定的主效QTL。 2.结合转录组测序数据对qPT10-5进行分析，发现qPT10-5区间内的42个候选基因有18个基因在甜玉米授粉后19天的果皮中表达，其中有5个基因在M03和M08自交系中差异表达。结合这5个基因的功能注释，推测GRMZM2G143352、GRMZM2G143402和GRMZM2G143389可能是控制甜玉米果皮厚度的候选基因，它们分别为AUX/IAA转录因子(AUX/IAA transcription factor)、ZIM转录因子(ZIM transcription factor)和脂肪酸代谢相关的蛋白(Protein FATTY ACID EXPORT 2 chloroplastic)。 3.利用RNA-seq技术对M03与M08授粉后15d、19d和23d的果皮进行转录组测序分析，在M03与M08果皮的3个时期两两对比中共鉴定到8951个差异表达基因，3个时期中分别鉴定到6168、4734和5602个差异表达基因，有2746个基因在3个时期都差异表达。分别对3个时期的差异基因进行京都基因与基因组百科全书(KEGG)富集分析，结果表明各时期的差异基因都共同富集到植物激素信号转导、氨基酸的生物合成、淀粉和蔗糖代谢、半胱氨酸与蛋氨酸代谢以及脂肪酸代谢等通路中，只有植物激素信号转导显著性较高(p＜0.05)。 4.对甜玉米自交系M03与M08授粉后15d、19d和23d的果皮进行miRNA测序，18个样品共检测出279个miRNA，其中已知miRNA155个，新检测出miRNA124个，3个时期共筛选到109个差异表达miRNA，有42个差异表达miRNA在3个时期都差异表达，再结合mRNA测序结果，共找到171对miRNA-mRNA调控模型，结合靶基因的注释信息，zma-miR164、zma-miR166、zma-miR167、zma-miR827以及zma-miR171b分别通过调控其靶基因的表达来调控不同植物激素的信号转导，从而影响甜玉米的果皮厚度。 5.采用色谱与质谱联用技术对M03与M08授粉后19天的果皮组织进行代谢组分析，共鉴定到471种代谢物质，其中有113个代谢物质差异表达，64个在M08种下调，49个上调，差异代谢物KEGG富集分析主要富集在玉米素生物合成、苯丙酸生物合成、植物激素信号转导、精氨酸和脯氨酸代谢等通路。 6.对两甜玉米自交系授粉后19天的果皮组织差异显著的mRNA、miRNA、代谢组进行多组学联合分析并构建网络互作图。结果表明不同果皮厚度的果皮中，具有显著差异的基因4213个、miRNA67个、代谢物113个，共同影响代谢通路、苯并恶嗪的生物合成、植物激素信号转导、生物素的代谢、嘌呤代谢、次级代谢物质的合成、苯乙烯类、二芳基庚烷类和姜辣素的生物合成、苯丙酸的生物合成、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢以及嘧啶代谢通路。这些途径包含了具体的调控信息，解释了果皮厚度差异调控的分子机理。 综上所述，本研究结果为为甜玉米果皮厚度的候选基因克隆奠定了基础，同时也为甜玉米的薄果皮改良提供了理论支持和基因资源。
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