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玉米是世界上最重要的粮食作物之一,为了满足人们对玉米及其衍生产品饲料和能源的需求,提高玉米产量是必需的。在过去的一个多世纪里,育种家致力于提高玉米杂交种产量,在玉米大果穗和适应性强的品种选育上取得了巨大成功。但是产量是由微效多基因控制的复杂性状,至今我们对玉米产量形成的遗传基础以及玉米改良过程中所选择的位点信息知之甚少。行粒数和穗长是玉米重要的产量性状。本研究通过精细定位,候选基因关联分析,表达量分析及玉米遗传转化验证,鉴定克隆到一个控制行粒数和穗长的QTL KERNEL NUMBER PER ROW6(KNR6),编码丝氨酸苏氨酸类受体蛋白激酶,主要研究结果如下:1.KNR6的精细定位与分离利用NILq KNR6(长穗)与其近等基因系NILqknr6(短穗)回交,构建分离群体。在超过28000个单株的回交群体中共鉴定了10种不同交换类型的重组基因型。通过重组单株的子代测验,将q KNR6定位在标记M6-M8约110kb的区间内。该区间编码2个基因,Zm00001d036601和Zm00001d036602。基于PCR扩增重测序和表达量分析发现,Zm00001d036601在近等基因系中无序列差异和表达差异,Zm00001d036602作为KNR6的候选基因,在近等基因系中存在4个多态性位点,包括5’-UTR区域一个5054bp转座子插入缺失的变异,及外显子上3个SNP变异,其中两个SNP为非同义替换。相对于NILqknr6等位基因型,第一外显子上碱基C/T的替换,导致第7位的氨基酸由亮氨酸变成了苯丙氨酸,第三外显子上碱基C/T的替换,导致第70位氨基酸由亮氨酸转变成了缬氨酸,第三外显子219位碱基G/A为同义替换。KNR6的5’-UTR区域在NILqknr6中存在一个5054bp转座子插入。进一步分析5054bp的转座子序列,它包含3bp TTA碱基正向重复和14bp的反向重复序列,是在一个MITE转座子上插入了4926bp序列而形成的一个新的Harbinger-like转座子。2.近等基因系中KNR6甲基化水平与基因表达量Harbinger-like转座子的插入,导致KNR6核心启动子区CG、CHG及CHH类型的甲基化水平显著提高,且TE下游紧邻区域的CG的甲基化水平也显著提高,甲基化水平提高抑制KNR6在NILqknr6中的转录水平。105个玉米自交系和12个近等基因系幼穗表达量分析结果证实,KNR6的表达量与行粒数,穗长极显著正相关。KNR6在20个TE+(KNR6上存在Harbinger-like转座子插入)自交系材料平均表达量显著低于85个TE-(KNR6上不存在Harbinger-like转座子插入)自交系材料。3.KNR6功能分析以玉米自交系A188为转化受体,获得了2个独立的RNAi转化事件,2个超表达转化事件。表型鉴定结果表明,相对于阴性对照植株,RNAi转化家系中,阳性植株穗长平均缩短1.35±0.11cm(p=2.05×10-14),行粒数平均降低2.85±0.22粒(p=1.37×10-25),花期平均提前2.3±0.11d(p=1.32×10-9)。KNR6超表达家系中,阳性植株穗长平均增加1.1±0.26cm(p=3.53×10-15),每行粒数增加2.5±0.15粒(p=1.85×10-28),花期推迟3.1±0.35d(p=2.42×10-21)。4.KNR6的关联分析在224个不同的自交系材料中,KNR6共存在93个最小等位基因频率大于0.05的多态性位点,其中有56个位点与行粒数,穗长变异显著关联,包括编码区的一个非同义突变(L7F,p=3.62×10-4)。与TE-PAV(Harbinger-like转座子存在缺失的变异)在一个连锁不平衡区域(r2≥0.97)的50个变异位点与行粒数相关性最强(p=8.81×10-5)。5.KNR6等位基因在的育种应用价值上的评价利用NILqknr6和NILq KNR6分别与11个TE+自交系和10个TE-自交系杂交,构建42个杂交组合。在不同的自交系遗传背景下,与NILq KNR6杂交获得的F1杂交种的穗长较长,行粒数较多,表明KNR6可以用于杂交种穗长和行粒数的遗传改良,进而提高杂交种的籽粒产量。进一步地利用KNR6TE-等位基因对郑单958的两个亲本(郑58和昌7-2)进行MAS改良,改良后的郑58和昌7-2在穗长和行粒数上都有所增加,且生育期不同程度的推迟。小区测产数据表明,Zheng58q KNR6×Chang7-2q KNR6的籽粒产量为13.3T/ha,显著高于Zheng58×Chang7-2的12.6T/ha(p=4.12×10-5),产量提高约5.6%,这些结果说明KNR6可以用来提高杂交种的行粒数,进而提高杂交种的籽粒产量。6.KNR6TE+等位基因的起源与KNR6驯化选择分析对43个大刍草材料,275个玉米自交系(包括214个温带材料,61个热带材料),24个地方品种材料进行重测序。通过核苷酸多样性分析,KNR6的5’-UTR内含子区域(TE-PAV)在驯化中受到了强烈的选择。地方品种中的Harbinger-like转座子起源于玉米祖先种大刍草的MITE,MITE在驯化过程中插入了一个大的片段序列形成一个新的DNA转座子,进而传递到玉米自交系中并在温带玉米材料中得以富集。总之,KNR6调控行粒数,穗长和生育期。该基因编码丝氨酸苏氨酸类受体蛋白激酶。位于KNR6 5’-UTR非翻译区的Harbinger-like转座子存在缺失的变异是KNR6功能变异的重要位点。它显著影响玉米的产量并对生育期有相对较弱的影响,Harbinger-like转座子提高了其两侧DNA的甲基化水平进而抑制了KNR6的表达,它起源于大刍草的Mexicana亚群,是一个微型反转座子插入了编码HARBI1转座酶的序列而来。