关联分析结合连锁分析鉴定玉米穗粒腐病的抗性QTL

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玉米(Zea mays L.)是世界上重要的粮食作物和饲料来源,持续增加玉米产量是确保世界粮食安全的重要组成部分。玉米穗粒腐病是世界上广泛分布的一种重要玉米病害,严重影响着玉米的产量和品质,对其抗性遗传位点的挖掘,有利于利用传统育种和分子标记辅助选择的方法,提高玉米品种的抗性。近年来,随着大规模分子标记检测技术的发展,利用高密度分子标记进行全基因组关联分析与传统的连锁分析相结合,对玉米穗粒腐病的抗性遗传进行研究,有利于快速发现和鉴定目前生产上的主要抗性位点,为深入理解玉米穗粒腐病的抗性机制和培育抗性品种奠定基础。  本研究以一套优良自交系所组建的关联分析群体和四个连锁群体为材料,在人工接种玉米穗粒腐病优势病原菌串珠镰刀菌(Fusarium verticillioides)的条件下进行多个环境的表型鉴定;利用全基因组关联分析和连锁分析相结合的策略发掘抗性位点。主要研究内容如下:  1)以育种上正在使用的940份优良自交系为材料,在3个环境下采用人工接种的方法进行玉米穗粒腐的抗性表型鉴定。结果表明,在环境TL11A、AF11A和AF10A中,分别鉴定出高抗材料(平均发病面积小于5%)186份、285份和253份。在3个环境下全部都表现高抗的材料共63份,占6.7%。这些高抗种质的鉴定为培育玉米穗粒腐病的抗性品种和抗性机理的深入研究奠定了材料基础。  2)利用包含56,110个SNP标记的illumina全基组SNP芯片对全基因组基因型进行分析,通过标记的缺失率、杂合率、等位基因频率等分析,最终确定43,424个较好的SNP标记用于进一步的群体结构和关联分析;通过群体结构(Structure)分析、主成分分析、邻接法(Neighbor-Joining)进化树分析,818份材料的关联群体较好地被分为3个亚群;运用混合线性模型和引入群体结构进行修正的情况下,进行基于单标记的全基因组关联分析,在P<0.001的显著水平上,共发现45个关联的SNP标记。  3)选取标记质量较好且染色体位置信息明确的42,535个标记,以连锁不平衡为基础建立单倍型,共建立7,063个分布于整个基因组上的单倍型,每个单倍型标记含有量变异从2个到19不等;以单倍型为基础进行全基因组关联分析,在P<0.001的显著水平上,共发现15个与穗粒腐抗性相关的单倍型。  4)利用4个连锁群体进行QTL分析,发现24个分别位于1、2、3、4、5、7、10染色体上QTL;运用QTL的元分析方法(Meta-QTL),将本研究中检测到的QTL位点和SNP标记进行整合,发现8个分别位于1、2、3、4、5、10染色体上共同位点。  5)通过关联分析,总共获得60个标记代表了50个染色体基因位点与抗性相关,利用候选基因分析发现这些位点包括信号传导相关、氧化还原相关、代谢途径、抗病防御等相关类别的候选基因,以及部分未知功能蛋白;其中与连锁分析共同检测到的8个位点的候选基因,包括新生多肽相关复合物、类GroES、致密颗粒GRA7蛋白、类驱动蛋白、氧化还原、葡萄糖/核糖醇脱氢酶、转录因子及未知蛋白等功能基因;通过功能预测和与以前抗性QTL的研究结果的比较,确定3个值得关注的候选基因用于进一步的研究。
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