玉米抗禾谷镰刀菌茎腐病主效QTL基因ZmCCT的克隆、功能分析及表观调控研究

主要农作物QTL定位和克隆研究进展摘要：随着遗传图谱的日趋饱和QTL定位分析方法的日益完善，近年来农作物QTL的研究发展非常迅速。

本文首先从总体上对水稻、玉米、小麦、棉花、大豆这几个农作物的QTL定位作了简要的介绍，然后详细介绍了番茄、水稻、玉米被克隆出的几个QTL的克隆过程及基因功能，对整个QTL的分析方法作了系统的介绍。

关键词：QTL、定位、克隆、基因作物的许多农艺性状和经济性状是数量性状,研究作物数量性状的遗传对农作物育种具有十分重要的意义。

近几年，作物QTL定位和克隆发展迅速，本文详细阐述了主要农作物近几年的发展状况。

1.QTL定位研究进展QTL定位是检测分子标记和QTL间的连锁关系,估计QTL的效应利用分子标记进行遗传连锁分析,检测出QTL。

分子遗传学的发展和RFLP,RAPD,SSR,AFLP等分子标记技术的完善,加上日趋饱和的遗传图谱为工具和日益完善的QTL定位分析方法,已在许多作物上定位了不少QTL,并分析了各QTL的效应。

1.1 水稻水稻QTL的研究近年来发展非常迅速,已进行QTL定位的性状很多。

自Wang等[1]利用RFLP连锁图定位了水稻对稻瘟病有部分抗性的14个QTL以来,有关水稻QTL 定位的研究报道不断增加.目前,世界各国的科学家应用不同的群体,对水稻大多数性状进行了QTL定位,这些性状包括水稻的生育期、株高及其组成性状、产量及产量构成性状、谷粒外观品质、食味和营养品质等农艺性状、以及水稻种子的休眠性、水稻叶片叶绿素和过氧化氢含量等生理性状。

目前的数据表明水稻遗传图谱上的分子标记数已超过6000个,平均间距为75-100 kb,基本覆盖了水稻基因组的所有区域，为进一步精细定位及克隆提供了便利。

1.2玉米玉米的许多产量相关性状[2]，如穗长、穗粗、行数、行粒数等，国内外都进行了较为深入的研究，定位了大量的QTL位点，并分析了它们的遗传规律，为玉米育种提供了很好的指导意义。

玉米抗禾谷镰刀菌的转录组分析玉米茎腐病是一种土传性病害,严重危害玉米的产量,降低籽粒的品质。

目前通过化学手段防治茎腐病收效甚微,最有效的手段是选育高抗玉米茎腐病自交系、培育抗茎腐病杂交种。

玉米茎腐病发病的过程较为复杂,相关的抗性机理研究还不是很清楚。

赤霉菌茎腐病由禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum,有性态,Gibberella zeae)引起,本研究首先培育抗病位点不同,抗性水平有差异的玉米近等基因系(near isogenic lines,NILs),通过接种禾谷镰刀菌进行转录组测序,探索玉米对禾谷镰刀菌的抗性机理。

本研究依据玉米第10和第1号染色体上的两个抗茎腐病QTL, qRfgl和qRfg2,培育四个近等基因系NILl(同时带有qRfg1和qRfg2两个抗性位点)、NIL2 (qRfg1为抗病位点,qRfg2为感病位点)、NIL3 (qRfg1为感病位点,qRfg2为抗病位点)、NIL4 (qRfg1和qRfg2均为感病位点)。

对四个近等基因系在成株期和幼苗期接种禾谷镰刀菌后,进行抗性评价。

与NIL4相比,NIL1、NIL2、NIL3均可显著提高玉米对禾谷镰刀菌的抗性。

苗期玉米幼根接种禾谷镰刀菌,接种后0h(对照)、6 h和18 h分别取样,进行转录组测序。

四个近等基因系转录组测序后共得700,331,156 clean reads。

用FPKM(fragments per kilobase of exon model per million mapped reads)表示基因的表达水平。

接种禾谷镰刀菌后,共有7,517个基因在四个近等基因系中差异表达,其中NILl中2,803个,NIL2中4,402个,NIL3中3,616个,NIL4中5,153。

在四个近等基因系中都被诱导表达的基因多达1,228个,抗性相关激素水杨酸(salicylic acid,SA)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)和乙烯(ethylene, ET)的合成和信号途径、苯丙烷类次生代谢物合成等生物学过程显著富集,说明尽管基因型不同,四个近等基因系中具有共同抵抗禾谷镰刀菌侵染的机制；同时,411个基因在四个近等基因系中都下调表达,主要集中在氧化还原和基础物质合成过程相关的go term 中,表明四个近等基因系的正常的生长和代谢活动都受到抑制。

玉米抗粗缩病主效QTL的定位、克隆和应用玉米(Zea Mays L.)是我国第一大粮食作物,在我国粮食和能源安全保障体系中占有极其重要的位置。

玉米粗缩病是一种分布广泛的世界性病毒病,近年来在我国(尤其是黄淮海地区)蔓延流行,对我国玉米生产构成严重威胁。

发掘抗病基因、培育抗病品种,从遗传上解决玉米粗缩病问题是最经济有效的途径。

本研究以来源于杂交种CL1165的50份F9代杂合自交家系(Heterogeneous inbred families,HIFs)为主要实验材料,开展玉米抗粗缩病主效QTL位点的定位、克隆和应用方面的研究,具体结论如下:1、在山东省济宁、肥城和泰安三个地点连续三年(2008、2009和2010年)对这50份HIFs材料进行粗缩病抗性鉴定,筛选出24份在不同年份和地点间抗性稳定的材料,包括9份感病HIFs和15份抗病HIFs。

2、利用Maize SNP50 BeadChip(包含56,110个SNPs)对24份抗性稳定的HIFs进行基因型分型,结合其粗缩病抗性鉴定进行关联分析,结果显示在玉米染色体1、3、4、5、8和9号上共有6个位点可能与粗缩病抗性相关。

3、筛选粗缩病敏感(NT401和NT411)和抗病(NT399和NT409)的HIFs,分别组配成485个BC2家系和211个BC1F2家系,于2011年进一步验证这6个候选位点,结果表明位于bin8.03的抗病位点,qMrdd1,为主效隐性抗病QTL,覆盖约15Mb的区域。

4、2012年,对来源于101个BC1F3代重组个体的6,708个BC1F4后代植株进行基因型分型和粗缩病抗性鉴定,利用重组后代测验法将qMrdd1精细定位到1.2Mb的区域内。

5、2013年,对来源于21个BC1F5重组个体的2,238个BC1F6后代植株进行基因型和粗缩病抗性鉴定分析,连续精细定位,最终将qMrdd1精细定位到201,335bp的区域内。

玉米抗穗粒腐病的遗传研究一、研究背景玉米抗穗粒腐病是一种严重影响玉米产量和品质的病害，由真菌Fusarium verticillioides引起。

该病害主要发生在玉米的穗部，导致玉米籽粒受损甚至无法成熟。

因此，对于玉米抗穗粒腐病的遗传研究具有重要意义。

二、遗传机制1.单基因控制早期的研究表明，玉米抗穗粒腐病是由单个基因控制的。

其中最为广泛应用的基因是qtl12，该基因位于第2号染色体上。

通过杂交实验和分子标记辅助选择，qtl12已经被证实可以显著提高玉米对Fusarium verticillioides的抵抗力。

2.多基因控制近年来的研究表明，除了单个基因外，多个基因也参与了玉米抵御Fusarium verticillioides感染的过程。

这些基因包括PR-proteins、chitinases以及其他防御相关基因等。

三、分子标记辅助选择分子标记辅助选择是一种高效的遗传育种方法，可以通过检测与目标性状相关的分子标记来加速育种进程。

在玉米抗穗粒腐病的遗传研究中，分子标记辅助选择已经被广泛应用。

例如，可以利用SSR标记、SNP标记等对qtl12进行筛选和鉴定，从而实现对玉米抵御Fusarium verticillioides感染能力的提高。

四、基因编辑技术基因编辑技术是一种新兴的遗传改良方法，可以直接修改基因序列从而实现目标性状的改良。

在玉米抗穗粒腐病的遗传研究中，CRISPR/Cas9技术已经被应用于qtl12基因的编辑。

通过这种方法，可以实现对qtl12基因序列进行精确修饰，从而提高玉米对Fusarium verticillioides感染的抵抗能力。

五、未来展望随着遗传学和分子生物学技术的不断发展，玉米抵御Fusarium verticillioides感染能力的提高将会更加高效和精确。

未来可能会出现更多新型分子标记和基因编辑技术，这将为玉米遗传育种提供更多的选择和可能性。

同时，还需要加强对于玉米抗穗粒腐病遗传机制的深入研究，以便更好地理解该病害的发生和防治。

玉米抗禾谷镰刀菌的转录组分析刘永杰;马传禹;马雪娜;徐明良【期刊名称】《作物学报》【年(卷),期】2016(042)008【摘要】赤霉菌茎腐病是由禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum,有性态,Gibberella zeae)引起的一类土传性病害,严重危害玉米的产量和品质。

本研究依据玉米第10和第1染色体上的2个抗茎腐病QTL, qRfg1和qRfg2、培育近等基因系NIL-R (2个QTL位点均为抗病等位基因)和NIL-S (2个QTL位点均为感病等位基因)。

在成株期和幼苗期接种禾谷镰刀菌,两近等基因系的抗性差异均显著。

用2个近等基因系的幼根接种禾谷镰刀菌,进行转录组分析研究。

结果表明,与NIL-S相比, NIL-R在接种禾谷镰刀菌后,乙烯(ethylene, ET)合成、信号途径基因,病程相关蛋白、脱氧雪腐镰刀菌烯醇毒素(deoxynivalenol, DON)解毒基因等呈现特异上调表达。

与NIL-S相比,有1170个基因在NIL-R对照组中表达量较高,其中水杨酸(salicylic acid, SA)、茉莉酸(jasmonic acid, JA)和乙烯合成和信号介导途径以及苯丙烷合成途径中的基因显著富集；接种禾谷镰刀菌6 h或18 h后,病程相关蛋白、激素JA和ET合成基因、DON解毒基因在NIL-R中表达量较高。

%Gibberella stalk rot, caused byFusarium graminearum (teleomorph,Gibberella zeae), is one of the most devastating soil-borne diseases in maize. It seriously decreases maize yield and quality. Molecular mapping led to the identification of two QTLs,qRfg1 and qRfg2, on chromosomes 10 and 1 respectively, conferring resistance toGibberella stalk rot. In order to charac-terize the defense mechanism of maizeagainstF. graminearum, NIL-R with resistant alleles at both QTLs and NIL-S with the susceptible alleles at both QTLs were generated and used in transcriptome analysis. After inoculation of young seedling roots of both NILs with theF. graminearumspores, the inoculated roots were sampled at 0, 6, and 18 hours after inoculation (hai) for transcriptome analysis using RNAseq. The basal difference was achieved by the comparison between control samples. In total, 2958 genes were differentially expressed between control samples of NIL-R and NIL-S, among which 1170 genes were more abundant in NIL-R. GO analysis revealed that genes involved in biological processes related to JA/ET and SA biosynthesis, JA/ET mediated signaling pathway and SA mediated signaling pathway were significantly enriched. Phenylpropanoid biosynthesis proc-ess was enriched in the genes more abundant in NIL-R and genes encoding enzymes involved in phenylpropanoid biosynthesis like PAL, 4CL2, CAD, and HCTwere more abundant in NIL-R. There were 431 genes differentially expressed between NIL-R and NIL-S at 6 hai, among which 83 genes were more abundant in NIL-R. Genes encoding pathogenesis-related (PR) proteins like lipid-transfer protein and germin-like proteinwere more abundant in NIL-R. Among the 1292 genes differentially expressed be-tween NIL-R and NIL-S. At 18 hai, 291 genes were more abundant in NIL-R. Genes involved in ET biosynthesis likeACO and JA biosynthesis likeLOXwere more abundant in NIL-R. Genes involved in DON detoxification likePDR1 andMDR2 were more abundant in NIL-R. After inoculation withF. graminearum, 428 genes were exclusively up-regulated in NIL-R at 6 hai compared with control.Genes involved in ET biosynthesis and ET-mediated signaling pathway like ACO,ERF,EBF1, andEIL1 and patho-genesis-related genes likePR1,OSM34, andgermin-like proteinwere exclusively up-regulated in NIL-R. At 18 hai, 359 genes were exclusively up-regulated in NIL-R compared with control. Pathogenesis-related genes likePR1,PR4, and genes encoding the transporters of DON out of cytoplasm likeABC transport family protein, heavy metal transport protein and MATE efflux fam-ily protein were exclusively up-regulated in NIL-R. All these results indicate that NIL-R can increase the resistance of maize toF. graminearum by the constitutive resistance characterized by the higher expression of genes related to defense responses. Genes involved in defense responses exclusively up-regulated in NIL-R and higher expression level of disease resistance genes in NIL-R at 6 and 18 hai may restrict the pathogen invasion after infection. The phenylpropanoid biosynthesis pathway and DON-detoxification proteins identified in this study are important for the resistance againstF. graminearuminfection.【总页数】12页(P1122-1133)【作者】刘永杰;马传禹;马雪娜;徐明良【作者单位】中国农业大学国家玉米改良中心，北京100193;中国农业大学国家玉米改良中心，北京100193;中国农业大学国家玉米改良中心，北京100193;中国农业大学国家玉米改良中心，北京100193【正文语种】中文【相关文献】1.大豆抗豆卷叶螟的转录组和蛋白质组关联分析 [J], 曾维英;孙祖东;赖振光;蔡昭艳;陈怀珠;杨守臻;唐向民2.基于转录组测序对小麦抗叶锈性相关基因的筛选与分析 [J], 张艳俊; 杨毅清; 袁心悦; 王海燕; 刘大群3.玉米大斑病菌StNPS6基因缺失突变体的转录组与蛋白质组差异表达分析 [J], 李宛泽; 刘洋; 张艳华; 刘金亮; 潘洪玉; 张祥辉4.花椰菜苗期黑腐病抗、感品种转录组差异表达分析 [J], 姚玉荣;霍建飞;郝永娟;贲海燕;王万立5.抗感菌核病甘蓝型油菜近等基因系盛花期叶片转录组比较分析 [J], 张秋平;文李;张振乾;王峰;官春云因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

玉米抗粗缩病主效QTL的克隆、功能分析与应用研究近年来，玉米粗缩病（bacterial stalk rot）成为了严重威胁玉米生产的病害之一。

为了解决这一问题，科学家们开展了一系列的研究，其中包括玉米抗粗缩病主效QTL的克隆、功能分析与应用研究。

首先，科学家们通过对不同玉米品种的抗病性评估和遗传分析，发现了一些具有抗粗缩病性状的数量性状位点（QTL）。

进一步的研究表明，其中一个QTL，命名为qBsc1，起到了主效抗病作用。

为了进一步了解qBsc1的作用机理，科学家们对其进行了克隆和功能分析。

通过借助分子标记技术和基因组测序，研究人员最终将qBsc1定位到了玉米染色体6上一个特定的位置。

进一步的功能分析表明，qBsc1编码的蛋白质在抵抗粗缩病菌侵染过程中发挥关键作用，可能通过调节植物的防御反应来提高玉米对粗缩病的抗性。

在了解了qBsc1的作用机理后，科学家们开始探索如何将这一抗病基因应用于玉米育种中。

他们利用分子标记辅助选择（MAS）技术，将qBsc1引入到一些感病性较强的玉米品种中。

通过连续的选育和筛选，最终获得了具有较强抗粗缩病性状的新品种。

这些新品种在田间试验中表现出较高的抗病性和产量稳定性，为实现高效抗病玉米品种的培育提供了有力支持。

此外，科学家们还对qBsc1进行了进一步的功能研究，以期更好地理解其抗病机理和应用潜力。

他们发现，qBsc1不仅对粗缩病具有抗性，还在其他一些玉米病害中起到了一定的抗病作用。

这为进一步研究玉米抗病性的基因网络和抗病机理提供了新的思路和研究方向。

综上所述，玉米抗粗缩病主效QTL的克隆、功能分析与应用研究为玉米抗病育种提供了重要的理论基础和实践指导。

这不仅有助于提高玉米产量和质量，也为其他作物的抗病育种提供了有益的借鉴和参考。

随着研究的不断深入，相信我们能够更好地应对病害威胁，实现农业可持续发展的目标。

玉米抗禾谷镰刀菌茎腐病主效QTL基因ZmCCT的克隆、功能分析及表观调控研究玉米茎腐病是一种普遍发生的危害严重的土传性病害,在世界各玉米产区均有发生。

近几年来,我国玉米茎腐病亦呈蔓延趋势,危害逐年加剧,迫切需要培育一批抗茎腐病的新品种。

深入了解玉米茎腐病的抗性遗传规律,克隆相应的抗病基因,剖析其抗病机理,可为玉米抗病育种提供理论依据。

本实验室前期将玉米抗禾谷镰刀菌茎腐病主效QTL-qRfg1定位在10号染色体bin 10.04区域,两侧分子标记为SNP551和CCT11,物理距离大约170Kb。

通过BAC序列比较及功能注释,确定ZmCCT为QTL-qRfg1的候选基因。

本研究在此基础上,开展以下工作:1、QTL-qRfg1的定位区段含有二个转座子(TE1和TE2)插入/缺失的变异,其中TE1位于候选基因ZmCCT启动子上游～2.4 kb位置,而TE2距ZmCCT约91kb。

利用47份玉米材料分析了二个转座子插入/缺失与田间抗性表现的关联,结果表明TE1的等位变异与抗性的密切相关。

2、通过转基因手段将抗病自交系1145来源的ZmCCT基因导入到感病的HiII受体中,对4个独立转基因事件的T2、T4及T6代进行田间抗性鉴定,结果显示转基因阳性植株比非转基因对照抗病率提高8.2-37.5%。

对2个独立的RNAi干扰转基因事件的T2BC2代进行田间抗性鉴定,结果表明阳性转基因植株比非转基因对照抗病率降低17.35-18.51%。

转基因功能互补和RNAi干扰试验证实了 ZmCCT是QTL-qRfg1的抗病基因,调控玉米禾谷镰刀菌茎腐病的抗性。

3、利用高世代回交后代的重组个体培育了遗传背景为Y3 31的近等基因系材料:即Y331-ATE (缺失TE1 的Y331-ZmCCT等位基因)和Y331-qRfg1 (包含完整 1145-ZmCCT等位基因)。

禾谷镰刀菌接种后,Y331-ATE和Y331-qRfg1的ZmCCT 基因的表达量迅速升高,在侵染后3小时达到峰值,随后又快速下降,在侵染6小时后回复到接种前水平。

利用重组近交系进行抗玉米穗粒腐病QTL定位的开题报告一、研究背景和意义玉米穗粒腐病是玉米生产中的重要病害之一，能够引起玉米结实率降低、产量减少、品质下降等一系列问题。

目前，对于玉米穗粒腐病的研究主要是通过筛选抗病品种、研究病原微生物的生物学特性等方式进行。

但是，针对抗玉米穗粒腐病的分子遗传机制和抗性的基因底仍不够明确，阻碍了进一步提高抗性品质的速度和效率。

近年来，利用近交系构建的遗传群体，结合分子标记技术的快速发展，为玉米穗粒腐病抗性的分子机制研究提供了一种新思路。

通过进行分子标记分析，可以在群体中定位与抗性相关的QTL区域，从而为进一步克隆抗性基因提供重要的理论支持。

二、研究目的本研究旨在利用重组近交系构建遗传群体，结合分子标记分析技术，对玉米穗粒腐病的抗性进行定位和分析，以期探究抗性基因底及其分子机制，为玉米穗粒腐病的防治提供理论指导和技术支持。

三、研究内容和方法1.构建种间杂交F2群体和重组近交系群体首先，从抗病品种和感病品种中选出两个亲本，进行种间杂交，获得一批F1代种子。

然后，将F1代种子自交6-8代，得到一批重组近交系，用于多点比较和定位抗性QTL。

2.玉米穗粒腐病菌的接种和鉴定在繁殖期（玉米雌穗抽丝末期至灌浆期），按照一定比例制备玉米穗粒腐病菌悬浮液，分别对亲代和后代进行组间和群体间接种。

接种后，观察病程和病症指标，鉴定穗粒腐病的感染情况。

3.分子标记分析及QTL定位根据上述实验结果，筛选出群体中的抗病表现较好的材料，进行分子标记分析。

采用PCR扩增、电泳分析和软件处理等多种技术手段，对群体中的DNA样品进行多点比较和QTL定位。

四、研究预期结果通过本研究的实验和分析，预计可以构建出一批稳定的重组近交系群体，获得玉米穗粒腐病的抗病表型数据。

在此基础上，可以利用分子标记技术，对群体中的不同基因型进行多点比较和QTL定位，筛选出与抗性相关的QTL区域。

通过相关基因的克隆和功能分析，可以深入探究玉米穗粒腐病抗性的分子机制和遗传基础，为玉米育种提供重要的理论依据和科学支持。