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玉米是我国重要的饲料、工业原料和粮食作物，也是作物遗传研究重要的模式作物之一。过去的三十年罩，分子标记技术在基因精细定位和克隆、分子标记辅助育种和聚合育种、遗传图谱构建和玉米起源进化领域中得到了广泛的应用，然而由于玉米基因组高度的复杂性和多样性，丰富的重复序列和转座子位点，导致传统的分子标记技术无法高密度地覆盖玉米全基因组，更难以高效全面地检测出染色体重组位点及基因型。随着B73基因组测序的完成和新一代测序平台的逐步完善，高通量测序技术实现了基因型鉴定和遗传作图方法学上的跨越。利用全基因组重测序技术，可以广泛地在自交系、重组自交系和回交导入系等各种类型的基础遗传资源中获得广泛的SNP基因分型、染色体间的结构变异和鉴定新的microRNA靶基因。其中microRNA（miRNA）是本世纪初发现的一类新的调控因子，其通过与靶mRNA的互补配对而在转录后水平上对基因的表达进行负调控，从而导致mRNA的降解或翻译抑制。
本研究通过高通量全基因组重测序技术及小RNA和降解组测序技术，在全基因组范围内构建了玉米IBMSyn10群体的高密度遗传连锁图谱，并对玉米重要农艺性状，如株高、开花期和玉米穗轴相关性状进行精细定位，同时对玉米B73自交系的4个果穗发育时期进行差异表达基因分析和小RNA靶基因预测，最终结合已定位的玉米QTL位点，为深入挖掘玉米果穗发育过程中具有重要调控功能的候选基因奠定基础。主要研究结果如下：
(1)玉米IBMSyn10单倍体群体全基因组遗传标记开发和基因型分型。对玉米自交系Mo17进行了26.65倍深度重测序，共得到3，097，838个亲本间SNPs，其中2，200，187个为纯合SNPs，897，651个为杂合SNPs。通过与Phytozome7.0database数据库进行比对，把169，016个SNPs定位于基因编码区、同时比对出104，311个非同义突变SNPs和64，705个同义突变SNPs。利用SOAPindel检测到180，587个范围为1-5bp的插入缺失位点。
通过对280份IBMSyn10群体的0.31倍重测序，结合亲本间的SNP位点，构建了包含6，618个binmarker遗传连锁图谱。在Synl0群体，共检测到35，128个重组断点，每个bin的物理范围为50kb～18.8Mb。遗传物理比值6.95cM/Mb，平均范围为0～0.4cM/Mb。在检测到的6，618个binmarker标记中，共有3，597个标记表现出偏分离，其中2，474个标记偏向B73，1，123个标汜偏向Mo17;在遗传成分组成上，Syn10群体有176株子代偏向B73遗传背景，38株偏向Mo17遗传背景。Syn10图谱扩张因子期望值为6.5，校正后图谱长度为1，722.9cM。
利用该图谱构建的高密度binmarker标记，检测到135个与开花期和株高相关的QTL。结果表明我们将已克隆的基因(TFL2PhyA2)精细定位到IMb的物理区间内，并发现了25个与株高和开花期有关的候选基因；随后，我们得到了1，151，856个高质量的亲本间SNP位点，为下一步QTL精细）定位和克隆奠定了基础。
(2)不同氮素处理条件下玉米穗轴相关性状的QTL定位。以IBMSyn10群体重测序获得的高密度binmarker标记基因型数据为基础，共检测到117个穗轴相关性状的QTL和23个与产量有关QTL，其中与穗轴重量相关的QTL22个、穗轴体积相关的QTL24个、穗轴密度相关的QTL25个、穗轴长度相关的QTL26个和穗轴直径相关的QTL20个。在玉米7号染色体上检测到一个候选基因ra1，物理坐标为110～114Mb，该基因编码的转录因子对玉米花序分枝的伸长有较复杂的影响。在玉米2号染色体上检测到一个候选基因ba2，物理坐标为31～34Mb，编码的转录因子也影响玉米花序分枝的伸长。
(3)高通量测序鉴定玉米果穗microRNAs及其靶基因。利用Illumina测序平台、miRNA微阵列和生物信息学分析，对玉米自交系B73果穗的4个发育时期即生长锥伸长期、小穗分化期、小花分化期和性器官形成期等四个生长发育期的雌穗组织材料分别进行降解组和小RNA测序。结果表明，玉米小RNA测序结果显示7，981，459(3，436，342distinct)reads很好的比对到了玉米基因组中，代表了总测序reads的74.85%(66.64%distinct)reads;与此同时降解组测序结果显示，平均有12，441，777(1，941，522distinct)20-nt的序列。利用Mireap预测已知和可能的新miRNA及其前体序列共得到385个miRNA基因。同时利用生物信息学手段分析结果，整理出玉米雌穗miRNA及其各项特征。用miRAlign比对这些候选位点与已知数据库中的miRNA后，发现有99个miRNA基因编码96个成熟的miRNAs，其中有61个miRNA*能够被检测到。另外，编码23个成熟miRNA的51个位点被认为是玉米特异的miRNA基因，且这些miRNAs都是新的miRNA家族。我们将这些新发现的miRNA命名为zma-miRs1-miRs23，同时采用a、b、c、d等来代表同一miRNA家族的不同成员。在这23个新miRNA*成员中我们检测到了其中的6个特异miRNA*，这为玉米中miRNAs的存在提供了切实可靠的依据。
为解析miRNA在果穗不同发育时期的调控功能，采用miRNA微阵列芯片来检测这些发育时期不同miRNA的表达动态。共有53个miRNA（占总探针数的8.4%）被认为是可能的差异miRNAs(P＜0.01)，并呈现不同的表达模式。本研究共鉴定127个已知miRNA的靶基因和13个新的特异miRNA的靶基因，这些结果表明miRNA家族在转录后水平和转录调控网络起着重要的作用。
最后，利用本研究开发的高分辨率的binmarker遗传标记定位到的玉米穗轴相关QTL及降解组测序鉴定的miRNA靶基因，在玉米2和3号染色体上鉴定得到6个miRNA靶基因位于玉米穗轴重量、穗轴体积和穗轴密度QTL区间内，进一步从正向及反向遗传学角度进行穗部性状候选基因挖掘奠定了基础。
本研究通过高通量全基因组重测序技术及小RNA和降解组测序技术，在全基因组范围内构建了玉米IBMSyn10群体的高密度遗传连锁图谱，并对玉米重要农艺性状，如株高、开花期和玉米穗轴相关性状进行精细定位，同时对玉米B73自交系的4个果穗发育时期进行差异表达基因分析和小RNA靶基因预测，最终结合已定位的玉米QTL位点，为深入挖掘玉米果穗发育过程中具有重要调控功能的候选基因奠定基础。主要研究结果如下：
(1)玉米IBMSyn10单倍体群体全基因组遗传标记开发和基因型分型。对玉米自交系Mo17进行了26.65倍深度重测序，共得到3，097，838个亲本间SNPs，其中2，200，187个为纯合SNPs，897，651个为杂合SNPs。通过与Phytozome7.0database数据库进行比对，把169，016个SNPs定位于基因编码区、同时比对出104，311个非同义突变SNPs和64，705个同义突变SNPs。利用SOAPindel检测到180，587个范围为1-5bp的插入缺失位点。
通过对280份IBMSyn10群体的0.31倍重测序，结合亲本间的SNP位点，构建了包含6，618个binmarker遗传连锁图谱。在Synl0群体，共检测到35，128个重组断点，每个bin的物理范围为50kb～18.8Mb。遗传物理比值6.95cM/Mb，平均范围为0～0.4cM/Mb。在检测到的6，618个binmarker标记中，共有3，597个标记表现出偏分离，其中2，474个标记偏向B73，1，123个标汜偏向Mo17;在遗传成分组成上，Syn10群体有176株子代偏向B73遗传背景，38株偏向Mo17遗传背景。Syn10图谱扩张因子期望值为6.5，校正后图谱长度为1，722.9cM。
利用该图谱构建的高密度binmarker标记，检测到135个与开花期和株高相关的QTL。结果表明我们将已克隆的基因(TFL2PhyA2)精细定位到IMb的物理区间内，并发现了25个与株高和开花期有关的候选基因；随后，我们得到了1，151，856个高质量的亲本间SNP位点，为下一步QTL精细）定位和克隆奠定了基础。
(2)不同氮素处理条件下玉米穗轴相关性状的QTL定位。以IBMSyn10群体重测序获得的高密度binmarker标记基因型数据为基础，共检测到117个穗轴相关性状的QTL和23个与产量有关QTL，其中与穗轴重量相关的QTL22个、穗轴体积相关的QTL24个、穗轴密度相关的QTL25个、穗轴长度相关的QTL26个和穗轴直径相关的QTL20个。在玉米7号染色体上检测到一个候选基因ra1，物理坐标为110～114Mb，该基因编码的转录因子对玉米花序分枝的伸长有较复杂的影响。在玉米2号染色体上检测到一个候选基因ba2，物理坐标为31～34Mb，编码的转录因子也影响玉米花序分枝的伸长。
(3)高通量测序鉴定玉米果穗microRNAs及其靶基因。利用Illumina测序平台、miRNA微阵列和生物信息学分析，对玉米自交系B73果穗的4个发育时期即生长锥伸长期、小穗分化期、小花分化期和性器官形成期等四个生长发育期的雌穗组织材料分别进行降解组和小RNA测序。结果表明，玉米小RNA测序结果显示7，981，459(3，436，342distinct)reads很好的比对到了玉米基因组中，代表了总测序reads的74.85%(66.64%distinct)reads;与此同时降解组测序结果显示，平均有12，441，777(1，941，522distinct)20-nt的序列。利用Mireap预测已知和可能的新miRNA及其前体序列共得到385个miRNA基因。同时利用生物信息学手段分析结果，整理出玉米雌穗miRNA及其各项特征。用miRAlign比对这些候选位点与已知数据库中的miRNA后，发现有99个miRNA基因编码96个成熟的miRNAs，其中有61个miRNA*能够被检测到。另外，编码23个成熟miRNA的51个位点被认为是玉米特异的miRNA基因，且这些miRNAs都是新的miRNA家族。我们将这些新发现的miRNA命名为zma-miRs1-miRs23，同时采用a、b、c、d等来代表同一miRNA家族的不同成员。在这23个新miRNA*成员中我们检测到了其中的6个特异miRNA*，这为玉米中miRNAs的存在提供了切实可靠的依据。
为解析miRNA在果穗不同发育时期的调控功能，采用miRNA微阵列芯片来检测这些发育时期不同miRNA的表达动态。共有53个miRNA（占总探针数的8.4%）被认为是可能的差异miRNAs(P＜0.01)，并呈现不同的表达模式。本研究共鉴定127个已知miRNA的靶基因和13个新的特异miRNA的靶基因，这些结果表明miRNA家族在转录后水平和转录调控网络起着重要的作用。
最后，利用本研究开发的高分辨率的binmarker遗传标记定位到的玉米穗轴相关QTL及降解组测序鉴定的miRNA靶基因，在玉米2和3号染色体上鉴定得到6个miRNA靶基因位于玉米穗轴重量、穗轴体积和穗轴密度QTL区间内，进一步从正向及反向遗传学角度进行穗部性状候选基因挖掘奠定了基础。