【目的】根系作为植株吸收水分和养分的重要器官,对玉米生长及产量的形成至关重要。研究玉米根系结构的遗传机制指导玉米高产育种实践。【方法】以111份玉米优异自交系为材料,于2017年在北京、陕西永寿、山西定襄和河南原阳4个环境下对玉米地下节根层数(RLN)、地下节根总条数(TRN)、地下节根角度(RA)、地下节根面积(RS)、地下节根体积(RV)和地下节根干重(RDW)等6个玉米根系相关性状进行调查。取4个环境的平均值作为6个根系相关性状的表型数据,对6个相关性状进行统计分析和相关性分析,对不同年代、不同类群自交系的地下节根相关性状进行差异分析。基于该群体全基因组152 352个高质量SNP标记,利用FarmCPU模型进行全基因组关联分析获得显著关联SNP位点,并在LD衰减距离范围内查找候选基因,对候选基因的功能进行富集分析。【结果】表型分析表明,6个地下节根性状均呈现正态分布,且均显示出较高的遗传力;相关性分析结果表明,地下节根层数和总条数均与地下节根角度和面积呈负相关,地下节根的角度、面积、体积和干重等4个性状之间相互呈现显著正相关关系;不同年代的玉米地下根系结构存在差异,地下节根层数和总条数在年代的更替间表现出下降的趋势,地下节根角度和面积在年代更替间表现出上升的趋势,根干重和根体积在各年代间无显著差异;玉米地下根系结构在类群间也存在差异,旅大红骨类群的6个地下节根性状值均高于其余类群。全基因组关联分析共检测到26个SNP位点与地下节根层数、总条数、体积和干重性状显著关联(P<0.00001),其中11个显著关联位点定位于前人报道的根系QTL区间内,2个显著关联SNP在地下节根层数和总条数中均被检测到。基于显著关联SNP位点共挖掘到177个候选基因,其中135个具有功能注释,Zm00001d037368可能为控制地下节根层数和总条数的一因多效候选基因。候选基因功能的富集分析结果显示,候选基因的功能主要涉及植物体内的代谢调节、应激反应、运输活性、催化活性、结合蛋白及细胞成分等。【结论】玉米自交系的根系结构在不同年代间和不同类群间存在不同程度的差异,采用全基因组关联分析策略挖掘控制玉米根系结构的相关遗传位点及候选基因,共检测到26个显著关联的SNP位点。

【目的】筛选与玉米粒长紧密关联的SNP标记和候选基因，为分子标记辅助选择籽粒较长的玉米材料及克隆相关的功能基因奠定基础。【方法】以80个核心玉米自交系作为关联群体，在2014年和2015年分别将其种植在吉林省长春市和梅河口市，收获后考种。同时采用Illumina Hiseq PE150高通量测序仪对关联群体进行全基因组重测序，将获得的高质量SNP标记用于后续玉米粒长的全基因组关联分析。【结果】不同玉米自交系的籽粒长度遗传变异较大，广义遗传力为83.67%，说明该性状主要受到遗传因素的控制。经过全基因组关联

为了阐明雄穗长的遗传基础并定位相关的数量性状位点,利用289份常用玉米自交系为试验材料,在自然条件下测量并分析玉米的株高、穗位高、雄穗柄长与雄穗长的相关性,并利用全基因组关联分析对雄穗长进行初步定位。结果表明,玉米雄穗长与3个农艺性状呈显著相关或极显著相关,其中与雄穗柄长关联最密切,相关系数最高达到0.717。同时共定位出13个与玉米雄穗长相关的标记位点,分别位于Bin1.05、Bin7.02、Bin8.03、Bin10.05处。采用全基因组关联分析的方法发掘雄穗长基因位点及候选基因,对揭示雄穗的遗传机理

【目的】玉米株型性状与植株产量、光合效率、抗倒性等密切相关,是理想株型设计育种的基础,通过对玉米多个株型相关性状进行全基因组关联分析,构建玉米理想株型,为抗倒伏、耐密性的玉米新品种选育提供理论基础。【方法】以284份温带、亚热带和热带材料组成的关联群体为研究对象,在郑州与浚县2个环境下对玉米总叶片数(LN)、穗上叶片数(LNAN)、穗上叶片数与总叶片数比值(LNAN/LN)、株高(PH)、穗位高(EH)、穗位高与株高的比值(EH/PH)等6个玉米株型相关性状进行调查,借助覆盖玉米全基因组约56万个SNP标

为了阐述玉米叶夹角的遗传基础并定位相关的数量性状位点,利用289份常用玉米自交系为试验材料,在自然条件下测量玉米穗上叶夹角,对其进行性状分析,结果表明,各个环境的穗上叶夹角数据呈正态分布,并且各个环境间的数据呈极显著正相关。同时采用MaizeSNP50基因芯片进行基因分型,利用R平台下的farmCPU对叶夹角进行全基因组关联分析。在4个环境中共检测到42个与玉米叶夹角显著关联(P

【目的】叶绿素含量与作物产量呈正相关。通过提高叶绿素含量来提高作物产量是作物育种的方向之一。因此,利用全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)解析玉米叶绿素含量的遗传基础,可为玉米高光效理想株型设计育种提供理论指导。【方法】以538份玉米自交系构成的关联群体为研究对象,在5个环境下,通过对其授粉后5 d的棒三叶(穗位叶、穗上叶、穗下叶)叶绿素含量进行测定,并借助覆盖玉米全基因组的558 629个单核苷酸多态性标记(SNPs),利用3种模型(Q、K和Q+K)对叶绿素含量进行全基因组关联分析,随后选择最优模型的GWAS结果并结合eQTL(expression quantitative trait loci)分析对叶绿素含量的自然变异进行解析。【结果】5个环境下,棒三叶叶绿素含量均遵从正态分布且叶绿素含量间呈正相关;方差分析表明棒三叶叶绿素含量的环境效应、基因型效应、基因型与环境互作效应均达到了极显著水平;此外,穗上叶、穗位叶和穗下叶叶绿素含量的遗传力分别为0.66、0.66和0.67。比较3种模型发现K模型对假阳性(I型错误)控制最好,在此模型下共检测到29个与棒三叶叶绿素含量显著关联的SNP(P≤3.99×10-6),涉及到18个位点,共有76个候选基因落在这18个位点内,其中85.5%(65/76)的候选基因具有eQTL,11.8%(9/76)的候选基因与对应表型显著相关(P<0.05),说明这9个基因可能是通过表达量变化来调控表型变异。在这76个基因中,60个候选基因有功能注释,功能涉及到能量代谢、物质输送代谢途径和生物合成调节等过程。此外还发现2个可以在不同环境或不同叶片共定位的位点,其中,共定位位点内的基因GRMZM2G074759编码一种与AAE3高度相似的酰基活化酶,该基因通过提高α-酮戊二酸(ALA)和草酰乙酸含量进而影响氨基酸生物合成,提高籽粒赖氨酸含量,改善玉米品质。此外,ALA的合成会促使叶绿素含量升高,进而提高作物产量,推测该基因为最可能的候选基因。【结论】K模型对假阳性的控制效果最好,基于K模型,共检测到18个玉米叶绿素含量显著关联位点,发现多个参与叶绿素合成途径相关基因。

为了初步揭示玉米粗蛋白含量、淀粉含量、中性洗涤纤维（neutral detergent fiber, NDF）含量、酸性洗涤纤维（acid detergent fiber,ADF）含量、可溶性糖含量和体外干物质消化率等性状的遗传规律，按照随机区组设计将183份自交系为材料种植于贵阳，测定玉米粗蛋白含量、淀粉含量、NDF含量、ADF含量、可溶性糖含量和体外干物质消化率，利用Maize SNP 50芯片对供试材料进行基因分型，采用混合线性模型进行全基因组关联分析，结果显示，分别鉴定出31、61、11、36、20和42个与粗蛋白、淀粉、NDF、ADF、可溶性糖及体外干物质消化率显著相关的单核苷酸多态性位点（SNP）(P<0.001)，对表型变异的解释率分别为5.80%～11.40%、5.78%～11.38%、5.78%～7.85%、5.81%～10.37%、5.78%～7.35%和5.79%～11.33%。同时，发现SYN6712、PHM1190.3、SYN7541和PZE-104072386属于一因多效位点；其中，6号染色体上的SYN6712、PHM1190.3和SYN7541同时与淀粉、体外干物质消化率显著关联，4号染色体上的PZE-104072386同时与ADF、可溶性糖显著关联，经过等位变异鉴定发现T/T基因型是SYN6712和PHM1190.3的优异等位变异，并挖掘到了Zm00001d037272、Zm00001d037386、Zm00001d037532和Zm00001d051166等候选基因。

【目的】玉米穗部性状是产量的重要构成因子，利用全基因组关联分析（genome-wide association study,GWAS）方法解析玉米杂交种穗部性状的遗传基础、挖掘与穗部性状相关的位点，为功能基因克隆和高产玉米品种培育提供参考。【方法】选用115份来源于陕A群和陕B群的优良玉米自交系和4份国内骨干作为亲本，以基于NCⅡ遗传交配设计获得的442份玉米杂交种为材料构建关联群体，调查2个环境中群体材料的穗长、穗粗、穗行数等8个穗部性状；利用tGBS技术检测亲本基因型，推测出F1杂交种的19 461个高质量SNP，结合杂交种表型和基因型开展基于加性、显性及上位性模型的穗部性状的全基因组关联分析，并利用公共数据库中玉米穗发育相关组织的转录组数据和基因的注释信息预测候选基因。【结果】表型数据分析结果显示，试验群体的8个穗部性状均符合正态分布，表型变异为3.78%—45.25%。方差分析表明，8个穗部性状的环境效应和基因型效应均呈现极显著水平（P<0.001），广义遗传力为54.15%—68.89%。同时玉米杂交种穗部性状间呈现显著正相关或显著负相关。利用加性和显性模型分别检测到16个和3个显著SNP，上位性模型检测到79个上位性位点。3种模型检测的显著位点累积解释各性状38.21%—60.69%的表型变异，其中，加性模型检测到的显著SNP累积解释的表型变异为0.00—41.26%，上位性模型检测到的位点累积解释的表型变异为15.18%—45.36%。基于加性和显性模型检测的显著SNP的效应分析发现多数位点呈现加性和部分显性效应，仅2个为超显性。进一步分析发现，7个单SNP和5个上位性位点能够解释5%以上的表型变异。根据SNP的位置以及基因的表达信息预测了17个候选基因。【结论】玉米杂交种穗部性状主要受加性、上位性效应影响，显性效应影响较小；加性和显性模型检测的SNP主要表现为加性和部分显性效应，可通过聚合有利等位基因改良目标性状。

【目的】全基因组水平鉴定并解析玉米Dof(DNA binding with one finger)基因家族。【方法】基于玉米V3基因组数据鉴定玉米Dof基因家族,并从基因的结构、系统发育关系、染色体的位置分布、玉米不同组织和不同生理发育阶段基因的表达谱以及在充足氮(sufficient nitrogen,SN)和低氮(limiting nitrogen,LN)条件下V3期叶组织基因的差异表达5个方面分析玉米Dof基因家族。【结果】玉米参考基因组中存在46个Dof结构域基因,命名为Zm V3Dof1—Zm V3Dof46。通过系统发育关系和序列相似性将该基因家族分为8个亚类(Subgroup)S...

【目的】U-box基因家族广泛存在于植物基因组中，能够编码泛素蛋白酶体系中特异性识别底物的泛素E3连接酶，调控蛋白的修饰和降解，对玉米的生长发育及逆境胁迫应答调控中起着重要作用，因此鉴定玉米U-box基因家族成员及进行基因功能研究具有重要意义。【方法】通过玉米全基因组数据库，利用一系列生物信息学工具对玉米U-box基因家族成员进行鉴定和功能分析。【结果】玉米U-box基因家族共鉴定筛选出76个成员，在玉米全基因组1～10号染色体上均有分布，氨基酸数目大小为94～1353 aa，蛋白等电点数值差距较大，从4.86到8.29不等。基因结构分析结果显示各成员间含有内含子数目不等，其中玉米U-box家族76个成员中共有28个基因无内含子，仅含有1个外显子，占玉米U-box基因总数的36.8%，表明这些基因进化可能源于转座子机制。系统进化分析结果显示水稻、拟南芥、玉米U-box基因分布在亚家族Ⅰ～Ⅸ中，其中亚家族Ⅳ中不含水稻、拟南芥U-box成员，仅含有2个玉米基因ZmPUB41和ZmPUB53，暗示了玉米在历史进化过程中在发生了多次家族基因扩增的同时也经过片段快速变异过程。启动子功能预测分析发现玉米U-box基因在玉米光合作用、植物激素应答以及逆境胁迫等方面发挥相应作用。基因组织表达分析显示玉米U-box基因表达特异性明显，主要在种子的组成型器官中表达，暗示了目标基因可能参与了种子的形成或萌发过程。部分基因如ZmPUB12、ZmPUB18、ZmPUB30、ZmPUB40、ZmPUB75仅在花粉中检测出有表达量，说明其可能参与了玉米花粉粒的形成或受精过程。【结论】玉米U-box基因在玉米的光合作用、生长发育以及逆境胁迫应答等生理活动中发挥了重要作用，为后续对玉米U-box基因功能、蛋白代谢和信号转导等重要调控网络研究提供了理论基础。

【目的】蔗糖合成酶(SUS)是植物进行蔗糖代谢的关键酶之一,控制着植物体内糖分的合成和运输,在植物的生长发育和代谢活动中具有重要作用。【方法】本研究利用玉米基因组数据库平台,以生物信息学手段对玉米SUS基因家族进行成员鉴定和分析。【结果】①玉米SUS家族共有5个成员,它们分别分布在第1.4.9号染色体上。氨基酸大小为802～849 aa,除ZmSUS5为弱碱性以外,其余均表现为弱酸性。②基因二级结构分析显示,该家族蛋白主要结构为a-螺旋,大部分为不稳定蛋白,且具有弱疏水性。③亚细胞定位预测结果显示,ZmSUS蛋白均定位在叶绿体。④进化分析显示ZmSUS可分为3个亚家族(SUSⅠ～SUSⅢ),且位于同一组的成员其氨基酸序列一致性以及内含子/外显子分布模式相似度都很高。⑤基因启动子分析分析显示ZmSUS家族蛋白在玉米的生长发育以及逆境胁迫方面都起着重要的作用。⑥组织表达特异性分析发现,ZmSUS1和ZmSUS2在胚和胚乳中大量表达;ZmSUS5在所有被检测的组织中表达量很低;ZmSUS3及ZmSUS4在被检测的组织中均有较高的表达量。【结论】这些结果表明ZmSUS1和ZmSUS2可能参与了种子的发育过程,ZmSUS3、ZmSUS4可能参与玉米生长发育的多个阶段。本研究为后续对玉米SUS家族基因的功能研究以及对蔗糖代谢调控的应用提供了理论参考。

未知功能域668(DUF668)家族是植物中一个功能尚不清楚的家族。为了解玉米DUF668基因家族成员及其特征，运用生物信息学方法对ZmDUF668基因家族进行鉴定分析。结果表明，玉米8条染色体上共分布19个ZmDUF668基因，分别命名为ZmDUF668-1～ZmDUF668-19;ZmDUF668蛋白以碱性蛋白为主，且大部分成员定位于细胞核、细胞质和叶绿体中。多物种系统进化树将19个ZmDUF668家族蛋白成员分为2个亚组；19个ZmDUF668中鉴定出10种蛋白保守基序，所有成员都含有Motif 1和Motif 5;通过对蛋白保守域分析发现，19个成员中有14个不仅含有DUF668结构域还含有DUF3475结构域；基因结构分析表明，同一亚群中成员基因结构相似。根据共线性分析可知，13个ZmDUF668基因与10个OsDUF668组合形成21种共线性关系。ZmDUF668顺式作用元件分析发现，家族成员启动子区域分布着光响应、植物激素及非生物胁迫相关作用元件。蛋白质互作网络(PPI)预测结果表明，ZmDUF668家族蛋白中只有ZmDUF668-10与其他蛋白存在互作关系。通过RNA-Seq数据分析发现，ZmDUF668基因家族部分成员在受到冷、热、盐胁迫和紫外处理下基因表达量明显变化，实时荧光定量PCR试验验证了ZmDUF668家族部分成员在冷胁迫和热胁迫下的响应。研究主要是将生物信息学运用于对玉米DUF668基因家族的分析，揭示了ZmDUF668基因家族成员的特征，为后续研究玉米DUF668家族基因的分子生物学功能提供了理论基础。

【目的】通过分析陕A群和陕B群选育自交系组配的杂交种产量，评估自交系的配合力，并开展以产量和配合力为目标性状的全基因组关联分析，挖掘产量及其配合力的关联位点，为陕A群和陕B群选育玉米自交系的改良及育种中的应用提供依据。【方法】基于NCⅡ遗传设计，以陕A群和陕B群选育的85份优良玉米自交系为亲本，构建包含246份F1的杂交种群体，在3个环境下进行产量测试，并评估产量的一般配合力和特殊配合力；利用6H90K芯片进行亲本基因型检测，获得63 879个高质量SNP标记，并进行群体遗传特征分析，在杂交种群体推测出高质量SNP标记55 951个，采用加性模型和非加性模型对杂交种产量、一般配合力和特殊配合力开展了全基因组关联分析，并基于B73参考基因组对显著关联SNPs内的基因进行挖掘和功能注释。【结果】3个环境下的产量表现符合正态分布且变异广泛，产量广义遗传力为59.04%，环境效应显著；杂交种产量、一般配合力和特殊配合力三者之间均达到极显著相关性，杂交种产量与特殊配合力的相关性（r=0.95）大于与一般配合力的相关性（r=0.62）；陕A群与陕B群遗传特征具有一定差异，陕A群具有较高的一般配合力。全基因组关联分析分别检测到7、5和9个SNP与杂交种产量、一般配合力和特殊配合力显著相关（-log10(P)>3.86），其中4个SNP为杂交种产量和特殊配合力共定位，最终锚定了17个关联SNP。对不同性状关联位点的优势等位基因型分析发现，4个GCA关联SNP受加性效应控制，F1产量BLUE关联位点可分为4种表现形式，以显性效应为主，其杂合基因型为最优等位基因型或次优等位基因型。通过功能注释发现，候选基因在玉米生长发育和籽粒建成中特异表达，例如GRMZM2G165828、GRMZM2G057557均与玉米籽粒发育相关。【结论】一般配合力和特殊配合力共同影响杂交种的产量，特殊配合力效应影响更大；一般配合力和特殊配合力具有不同的遗传基础，可通过有利等位基因聚集提高一般配合力。在F1杂交种群体采用全基因组关联分析策略可开展配合力相关遗传解析，挖掘产量及其配合力相关遗传位点，可加速关联位点在分子育种中的应用。

为挖掘控制甜玉米籽粒体积和粒重的相关基因，2017—2019年，以209份甜玉米自交系构成的关联群体为材料，测定干籽粒的体积和粒重，结合全基因组重测序（De novo sequencing）获得的980万个单核苷酸多态性（Single-nucleotide polymorphism,SNP）标记，采用GLM模型进行全基因组关联分析。结果表明，甜玉米籽粒体积变异范围为0.06～0.15mL，变异倍数为2.5倍，单粒重变异范围为0.08～0.17g，变异倍数为2.1倍，均符合正态分布。共检测到15个SNP位点与籽粒体积或粒重显著关联，分别解释籽粒体积55.7%和粒重52.1%的表型变异，其中4个位点和普通玉米报道的QTL重叠，其余11个是新鉴定的位点，通过基因注释发现大部分候选基因为转录因子等调控基因。此外，首次检测到Br2（矮化基因2）与籽粒体积、粒重两性状均显著关联，并且籽粒体积和粒重均随着该基因表达量的升高而增加。

【目的】从全基因组水平上鉴定玉米大斑病菌(Setosphaeria turcica)Homeobox转录因子家族及其分布,阐明该家族的序列及进化特征,分析该家族基因在病菌不同生长发育时期的表达规律。【方法】利用生物信息学手段搜索玉米大斑病菌全基因组数据库,鉴定Homeobox转录因子家族;采用MEGA 5.0软件进行系统进化树分析;利用在线工具GSDS(gene structure display server)(http://gsds1.cbi.pku.edu.cn/index.php)绘制基因结构图;