热带与温带玉米多亲本RIL群体中穗直径遗传基础的解析及候选基因鉴定

本研究针对玉米遗传同质化加剧和产量提升瓶颈，通过构建热带/温带玉米多亲本重组自交系（MPP）群体，结合全基因组关联分析（GWAS）和数量性状位点（QTL）定位，鉴定出Zm00001eb032370等5个调控穗直径的关键基因及qE1-1等3个主效QTL，揭示了激素平衡和细胞分裂/扩张的分子机制，为玉米产量性状遗传改良提供了新靶点。

　　

玉米作为全球最重要的粮食作物之一，正面临遗传基础狭窄导致的产量瓶颈。美国玉米品种主要来源于玉米带马齿种（CBD）种质，而中国主栽品种如郑单958和先玉335也呈现高度同质化。这种遗传均一性削弱了玉米对生物/非生物胁迫的抵抗力，威胁粮食安全。热带玉米凭借丰富的遗传多样性，成为改良温带玉米的重要资源。穗直径作为关键产量性状，直接影响籽粒排列和单株产量，但其遗传机制尚不明确。

云南省农业科学院粮食作物研究所的研究人员构建了包含1107个重组自交系（RIL）的多亲本群体（MPP），亲本涵盖温带自交系Ye107与6个热带/亚热带材料（CML312、YML46等）。通过3个环境下的表型分析发现穗直径遗传力（H²）达70.15-97.28%，且群体与环境互作显著。研究采用5×深度全基因组测序（WGS）获得16,223,980个高质量SNP，通过混合线性模型（MLM）进行GWAS分析，结合6个子群体的高密度遗传图谱（平均标记间隔0.63-1.1 cM）开展QTL定位。

主要技术方法

1. 多环境表型评估：在云南砚山（22YS/23YS）和景洪（24JH）进行三重复试验
2. 全基因组关联分析：基于GEMMA软件MLM模型（显著性阈值-log₁₀(P)>6.0）
3. QTL定位：使用JoinMap v4.0构建遗传图谱，Windows QTL Cartographer进行复合区间映射（CIM）
4. 单倍型分析：通过Haploview筛选优势单倍型
5. 候选基因表达验证：qRT-PCR检测7个亲本花后15/25天的基因表达

关键结果

1. GWAS鉴定稳定位点：在4个环境中共同检测到8个显著SNP，其中1_181125354（Zm00001eb032370）与GATA转录因子相关，可能通过油菜素内酯（BR）信号通路调控穗发育。

2. QTL热点区域：染色体1上qE1-1（PVE 11.99%）和qE1-5与前人报道区间重叠，qE1-5内Zm00001eb035700编码PUMILIO RNA结合蛋白，可能通过调控胚乳发育影响穗形态。

3. 候选基因功能：

   • Zm00001eb050010（CYP85A1）参与BR合成，热带亲本YML1218中表达量高达对照35.99倍
   • Zm00001eb023590（FMO）催化生长素（IAA）合成，其单倍型Hap2显著降低穗直径（P<0.01）
   • Zm00001eb303690（ERF3）通过调控小穗分生组织影响籽粒排列

4. 优势单倍型应用：在育成品种云瑞6号（YML46×YML107）和云瑞7号（YML46×YML1218）中，优势单倍型Hap10（Zm00001eb050010）使穗直径达5.3 cm，累计推广510.8万公顷。

结论与意义
该研究首次系统解析了热带/温带玉米穗直径的遗传架构，发现BR信号（Zm00001eb050010）、生长素合成（Zm00001eb023590）和分生组织调控（Zm00001eb303690）三条通路协同作用。通过GWAS-QTL共定位策略，将候选基因定位精度提升至10 kb范围内，克服了传统连锁分析的局限性。研究提出的"Suwan1×Reid"杂种优势模式，为打破玉米遗传同质化提供了分子育种新策略。云南省农科院利用鉴定的优势单倍型，已培育出穗直径超过5 cm的高产品种，验证了研究成果的应用价值。未来通过CRISPR-Cas9基因编辑等技术验证候选基因功能，将进一步推动玉米产量性状的精准改良。