玉米自交系苗期根系形态鉴定及候选基因发掘

张坤; 王艺雄; 杨金丹; 张正; 董春林; 任志强; 王创云; 常建忠; ZHANG Kun; WANG Yixiong; YANG Jindan; ZHANG Zheng; DONG Chunlin; REN Zhiqiang; WANG Chuangyun; CHANG Jianzhong

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玉米自交系苗期根系形态鉴定及候选基因发掘 PDF

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1. 山西农业大学农学院，太原 030031； 2. 山西农业大学山西有机旱作农业研究院/农业农村部有机旱作农业重点试验室（省部共建）/有机旱作山西省重点试验室，太原 030031

最近更新：2024-01-08

DOI：10.13430/j.cnki.jpgr.20230619001

摘要

以134份玉米自交系为试验材料，对玉米的9个苗期根系性状进行表型鉴定，并利用分布于玉米基因组的44935个SNP标记，基于FarmCPU模型进行全基因组关联分析（GWAS，genome-wide association study）。结果表明9个根系性状表型变异范围在10.86%~55.96%之间，大部分表型间相关性达极显著水平（P<0.001），侧根长和总根长相关系数最高，为0.996，其次为侧根数与总根数达到0.993。共鉴定到32个显著关联的SNP位点（P=1.01e^-11~9.74e^-05），表型贡献率在0.54%~22.34%之间，主根长、总根长、最大根长、侧根长分别检测到4、8、3、9个显著的SNP位点；总根数、侧根数、不定根数分别检测到10、7、1个显著SNP位点；14个SNP位点同时与多个根系性状关联。12个显著关联位点位于已知根系相关性状QTL（Quantitative trait locus）区间内。共发掘49个根系候选基因，其中GRMZM2G028386 （ABI4）、GRMZM2G135713（PUB23）、GRMZM5G870592（MYB98）、GRMZM2G156861（LOX1）、GRMZM2G160005（AUX16）、GRMZM2G126936（NAC2）等是重要的根系候选基因。本研究为克隆玉米根系发育相关基因，解析玉米根系发育分子机制提供了参考。

关键词

玉米自交系; 根系; 抗旱性; 全基因组关联分析; 基因挖掘

玉米（Zea mays L.）是旱地作物中需水量较大，对水分胁迫较为敏感的作物之一^［

1］。干旱是制约玉米产量、威胁粮食安全的重要非生物胁迫之一。作物根系的表型特征评价是研究其抗旱性的重要手段^{［参考文献 2

百度学术}2］。已经证明与抗旱性相关的根系表型性状有根系长度、根系生长角度、根系生物量、总根数、根分支数、根系木质部直径等^{［参考文献 3

百度学术}3］。如Wasson等^{［参考文献 4

百度学术}4］研究表明根系越长、越深且径向水流导度较大的小麦品种在干旱条件下更容易吸取深层水分获得高产；Uga等^{［参考文献 5

百度学术}5］在研究水稻DRO1基因的功能时发现通过改善作物根系的构型（根系生长角度）可以提高作物抗旱性；Brown^{［参考文献 6

百度学术}6］等发现根毛对于维持极端磷胁迫和干旱胁迫条件下大麦的产量至关重要。因此，解析玉米根系结构形成的遗传基础，挖掘玉米根系相关性状的优异等位基因，对进一步提高玉米抗旱性具有重要意义。目前，玉米根系性状相关位点发掘方面已取得重大进展，Wang等^{［参考文献 7

百度学术}7］揭示了玉米初生根的生长依赖于类黄酮的生物合成和生长素的信号转导，并鉴定到rtcs和Zm00001d012781两个候选基因。Burton等^{［参考文献 8

百度学术}8］对玉米根系数目、长度、方向及分支进行QTL定位，共鉴定出到15个QTL，单个QTL表型变异解释率在0.44%~13.5%之间。Song等^{［参考文献 9

百度学术}9］鉴定到控制初生根长、种子根长和总根数的QTL18、24和20，表型变异解释率在1.6%~11.6%之间。Guo等^{［参考文献 10

百度学术}10］通过比较部分抗旱及干旱敏感品种转录组数据，从中分别鉴定出343个和177个共同差异表达基因（DEGs，differentially expressed genes），并鉴定了参与两个重要相关模块的10个中心基因。

全基因组关联分析（ GWAS，genome-wide ass-ociation study）是系统解析复杂数量性状遗传机制的重要工具^［

11］。目前，GWAS分析已经发掘出多个与玉米根系性状、抗旱性相关的位点。Wang等^{［参考文献 12

百度学术}12］对玉米苗期耐旱性进行GWAS分析，确定了42个候选基因，过表达其中的ZmVPP1基因能够增强玉米植株的光合效率，促进根系发育，从而提高玉米耐旱性。Wu等^{［参考文献 13

百度学术}13］通过GWAS分析获得了4个重要候选基因：GRMZM2G099797，GRMZM2G354338，GRMZM2G085042和GRMZM5G812926，可用于玉米根系遗传改良。张小琼等^{［参考文献 14

百度学术}14］利用GWAS分析挖掘到与根系显著关联的26个SNP位点，其中11个SNP位于前人已报道根系相关QTL区间内。Liu等^{［参考文献 15

百度学术}15］对玉米的根毛长度的遗传结构进行解析，从中检测到14个与根毛显著关联的SNP位点。尽管前人已定位到一些玉米根系相关性状 QTL，但是由于根系是受多基因调控的复杂数量性状，已有研究仅能从各自研究群体中检测到有限的遗传位点，因此仍需对玉米根系相关性状进行遗传解析，加深对玉米根系性状变异分子机制的理解。

本研究利用134份玉米自交系构建关联群体，通过对玉米苗期根系的9个表型进行鉴定，结合覆盖玉米全基因的44935个SNP标记进行全基因组关联分析，发掘玉米根系性状显著关联位点，并预测候选基因。本研究结果可为玉米根系相关性状分子育种（ MAS，marker-assisted selection）提供重要遗传位点，为精细定位和克隆玉米根系发育相关基因提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

136份玉米自交系来自山西农业大学山西有机旱作农业研究院分子育种研究室育种群体及国内外收集的部分材料（详见https：//doi.org/10.13430/j.cnki.jpgr.20230619001，附表1）。试验于2021年12月11-31日和2022年06月1-21日重复两次进行苗期培养、根系表型鉴定试验，每个实验3次生物学重复。

表1 玉米根系表型基本统计分析

Table 1 Basic statistical analysis of root phenotypes in maize

根系性状 Root traits	性状描述 Trait descriptions	均值 Mean	最大值 Max.	最小值 Min.	峰度 KURT.	偏度 SKEW.	标准差 SD	变异系数（%） CV
主根长（cm）PRL	以厘米为单位的主根长度	23.84	38.54	9.00	0.98	-0.04	5.19	21.78
侧根长（cm）LRL	主根延伸出的侧根总长	171.84	384.54	38.86	2.11	0.81	51.44	29.93
总根长（cm）RL	以厘米为单位的所有根总长	195.68	423.08	56.46	2.31	0.86	53.85	27.52
最大根长（cm）MRL	根系的最大根长	23.79	38.54	12.07	1.35	0.51	4.36	18.32
根表面积（cm²）RSA	整个根系的表面积	43.86	70.94	17.16	0.50	0.30	9.11	20.78
根直径（cm）RD	根系的平均直径	0.73	0.99	0.55	0.92	0.61	0.08	10.86
不定根数（cm）NAR	除主根延伸之外的侧根数目	7.71	14.80	2.71	0.06	0.41	2.35	30.46
总根数NR	所有根的总数	43.65	126.00	14.30	3.44	1.42	19.03	43.59
侧根数NLR	主根延伸出的侧根数目	34.94	120.00	6.67	3.61	1.48	19.55	55.96

PRL： Primary root length； LRL： Lateral root length； RL： Root length； MRL： Maximum root length； RSA： Root surface area； RD： Root diameter； NAR：Number of adventitious roots； NR： Number of roots； NLR： Number of lateral roots；The same as below

1.2 玉米苗期培养

本试验全程无菌操作，从136份玉米自交系中挑选出籽粒饱满、无病虫害种子6~8粒，放入灭菌培养皿中，通过20 mL 1%的氯化汞溶液，灭菌15 min。将灭菌后的种子放入培养皿中，加入20 mL无菌蒸馏水，待种子吸胀萌发，将其移至无菌育种袋中，种子间隔1 cm左右，胚根朝下。育种袋中加入灭菌蒸馏水至20 cm刻度线，放入光照培养箱（RDN-300E-4）中培养（光照培养箱参数：第一阶段，光照10000 Lx，温度28℃，湿度35% RH，12 h；第二阶段，光照0 Lx，温度28℃，湿度35% RH，12 h）。种子生长过程中，维持水线在20 cm左右，培养14 d后进行表型鉴定。

1.3 表型鉴定及分析

利用EPSON根系扫描仪（J221A）扫描幼苗根部图像，利用WinRHIZO软件测量根系长度、数目、表面积等9个表型性状（表1）。利用Microsoft Excel 2003进行描述性统计分析，使用SPSS软件（V26）对136份玉米自交系的9个表型数据进行皮尔逊相关性分析，利用R语言程序包Performance-Analytics将相关性结果可视化。使用R语言ape程序包中层次聚类算法对136份玉米自交系根系性状进行聚类分析，并绘制聚类树状图。

1.4 全基因组关联分析

采用高通量DNA提取试剂盒（EasyPure® Plant Genomic DNA Kit）提取玉米自交系基因组DNA，用1%琼脂糖凝胶电泳分析DNA纯度和完整性，用Qubit对DNA进行定量。采用45 K液相芯片进行基因分型（石家庄博瑞迪生物技术有限公司），芯片有效标记数为44935个，将原始标记按照最小等位基因频率≥0.01，缺失率≤50%过滤，利用beagle（V4.1）将过滤后的基因型数据进行填补，利用Tassel 5（v5.2.77）对最小等位基因频率＜0.05的SNP（Single nucleotide polymorphism）标记进行过滤，最终筛选到43034个高质量SNP标记用于后续分析。本研究利用FarmCPU（Fixed and random model circulating probability unification）模型进行全基因组关联分析。使用R语言程序包GAPIT 3中FarmCPU软件模型对表型数据进行全基因组关联分析。表型贡献解释率采用Shim等^［

16］提出的算法进行计算。使用R语言软件包CMplot绘制Q-Q plot图及曼哈顿图，以P＜0.0001为阈值，筛选与9个根系表型显著关联的SNP位点。

1.5 根系相关候选基因预测

使用Tassel 5软件计算SNP之间连锁不平衡衰减距离，计算r²平均值并绘制连锁不平衡衰减距离图。基于9个根系性状显著关联SNP位点在参考基因组（B73参考基因组v3版本，http：//plants.ensembl.org/）中的物理位置，在SNP位点上下游LD距离范围内筛选候选基因。根据玉米遗传学和基因组学数据库（https：//www.maizegdb.org/）中的动态转录组数据，筛选出与玉米根系发育相关的候选基因。

根据检测到的SNP位点上下游LD范围内的候选基因，结合在MaizeGDB数据库下载玉米自交系B73授粉后玉米根系发育18个不同位置及时期^［

17］的动态转录组数据，以FPKM≥1^{［参考文献 18

百度学术}18］为候选基因表达的标准，筛选与根系发育相关的目的基因，通过公式log2（FPKM+1）^{［参考文献 19

百度学术}19］将目的基因表达量进行标准化，利用R语言软件包Pheatmap包绘制目的基因表达模式热图，并进行分类。通过MaizeGDB、NCBI（https：//blast.ncbi.nlm.nih.Gov）、Uniprot（https：//www.uniprot.org/）等数据库网站对候选基因进行功能注释，通过DAVID（https：//david.ncifcrf.gov/）、KOBAS（http：//kobas.cbi.pku.edu.cn/）等数据库网站对候选基因进行富集分析，最终从中筛选出与根系相关的候选基因。

2 结果与分析

2.1 根系表型统计分析

玉米自交系根系存在着丰富的表型变异（图1、表1），9个表型的变异系数范围在10.86%~55.96%之间，其中侧根数变异系数最大，为55.96%，变异系数是其余性状的1.28~5.15倍，其次为总根数，变异系数为43.59%，根直径差异性最小，变异系数为10.86%。相关性分析表明（图2），除不定根数与总根数、根直径、最大根长外，其余性状间均存在较高程度的相关性（P<0.05），其中侧根长和总根长之间的相关性最高，相关系数为0.996（P<0.001），其次是侧根数与总根数，相关系数为0.993（P<0.001），不定根数与侧根长、总根长相关系数相对较低，分别为0.22和0.19（P<0.05）；根直径与其他性状之间均呈显著负相关，相关系数在-0.74~-0.064之间（P<0.01）；不定根数与侧根长和总根长之间呈负相关，相关系数分别为-0.28和-0.26。

图1 玉米自交系部分材料根系对比图

Fig. 1 Comparison diagram of root system of selected maize inbred lines

图2 9个玉米根系表型相关性分析

Fig. 2 Correlation analysis of 9 maize root phenotypes

图中对角线方框为根系性状的柱状图，字母代表不同的根系性状，上三角为相关系数和显著性程度。*、**、***分别表示在P<0.05、P<0.01、P<0.001水平上差异显著。下三角为玉米根系表型数据的散点图，横纵坐标数值代表横向及纵向对应表型的表型数据

In the figure， the diagonal box is the column chart of root traits， the letters represent different root traits， and the upper triangle is the correlation coefficient. *， **， *** indicate significant differences at the P<0.05， P<0.01， and P<0.001 levels， respectively.

;

The lower triangle is a scatter plot of maize root phenotype data， and the transverse and longitudinal values represent the phenotypic data corresponding to the horizontal and vertical phenotypes

2.2 根系表型性状聚类分析

聚类分析将134份玉米自交系分为3个类群（图3），每个类群特征各异（表2）。类群Ⅲ除根直径外，其他根系性状均大于类群Ⅰ和类群Ⅱ，其中侧根长、总根长和根表面积与其他类群的差异均达到极显著水平（P<0.001），该类群包含PHW5、黄C、新自3113等14份材料，其中黄C表现最为突出，在所有自交系材料中，其主根长、侧根长、最大根长、总根长、根表面积最大。类群Ⅰ根直径均显著大于类群Ⅱ和Ⅲ（P<0.001），其他根系性状均小于其他类群，该类群包含包括京17、昌7-2、新自7523、DK517父本和母本等共77份材料。类群Ⅱ属于中间类型，其根系表型值均介于类群Ⅰ和类群Ⅲ之间，包括W72、综31、黄早四、909M等共43份材料。

图3 134份玉米自交系根系性状聚类分析图

Fig. 3 Cluster analysis map of root traits of 134 maize inbred lines

表2 不同类群自交系根系表型统计分析

Table 2 Statistical analysis of root phenotypes of inbred lines in different groups

类群 Group	主根长（cm） PRL	侧根长（cm） LRL	总根长（cm） RL	最大根长（cm） MRL	根表面积（cm²） RSA
I	18.44±6.42Bb	155±34.6Cc	173.44±35.46Cc	22.44±3.97Bb	40.35±7.13Cc
II	21.96±5.71Aa	222.08±33.91Bb	244.04±34.01Bb	25.5±3.51Aa	50.94±8.16Bb
III	22.99±5.34Aa	319.71±47.5Aa	342.7±49.33Aa	26.43±4.21Aa	61.58±9.6Aa
类群 Group	根直径（cm） RD	不定根数（cm） NAR	侧根数 NLR	总根数 NR
I	0.76±0.09Aa	7.6±2.5Bb	21.86±12.74Bb	30.45±11.9Bb
II	0.67±0.08Bb	8.22±1.99ABab	38.56±15.73ABab	47.78±14.75ACbc
III	0.58±0.09Cc	9.69±2.95Aa	46.2±16.65Aa	56.89±14.27Aa

表中大写字母表示P<0.01显著水平，小写字母表示P<0.05显著水平

Uppercase letters in the table represent a significance level of P<0.01， while lowercase letters represent a significance level of P<0.05

2.3 根系性状全基因组关联分析

利用Tassel 5.0对44935个SNP标记进行质控，并计算关联群体的LD衰减距离。关联群体的LD分析结果表明（图4），连锁不平衡参数r²值随着物理距离的增加不断下降，当r²达到0.2时，LD系数达到基线水平，此时群体的连锁不平衡衰减距离约为200 kb，该点可作为该群体的遗传不平衡衰减距离。

图4 群体连锁不平衡

Fig. 4 Population linkage unequilibrium

对136份玉米自交系的9个根系性状进行全基因组关联分析，共检测到32个显著SNP位点（P=9.74e^-5~1.01e^-11），除5号染色体上未检测到显著位点，其余染色体上均有分布（图5）。根系长度相关性状：主根长、总根长、最大根长、侧根长分别检测到4、8、3、9个显著的SNP，表型贡献率在5.28%~22.34%之间；根数目相关性状：总根数、侧根数、不定根数分别检测到10、7、1个显著SNP，表型贡献率在0.54%~14.98%之间；除此之外，根直径检测到3个（表型贡献率=13.43%~13.61%）、根表面积检测到5个显著位点（表型贡献率=13.43%~18.1%）。其中部分显著位点与多个根系性状关联，如位于第10号染色体的10_76817153同时与主根长、侧根长和根表面积关联；位于第1号染色体的1_49125460同时与总根数和侧根数关联。

图5 根系相关性状显著SNP的QQ图和曼哈顿图

Fig.5 QQ-plots and Manhattan plots of significant SNPS for root-related traits

曼哈顿图右上色块及数字代表每一条染色体颜色区段内单核苷酸多态性位点个数

The upper right color block and numbers on the Manhattan map represent the number of single nucleotide polymorphic sites within each chromosomal color range

2.4 根系性状候选基因分析

32个显著SNP位点范围内共获得根系发育候选基因252个，利用NCBI、Uniprot和MaizeGDB等数据库对检测到的252个基因进行功能注释，其中140个基因有注释信息，根据其注释信息，筛选出可能涉及根系发育相关的基因，如植物激素应答、细胞分裂、对环境胁迫反应等相关的共49个基因作为候选基因（表3），并对其在18个根系发育不同的时期及部位的表达模式进行了分析（图6）。表达模式聚类将候选基因分为5组（G1~G5）：G1组在根系中表达水平较高，平均水平为30.196，涉及11个候选基因，包括GRMZM2G080858 （WAT1相关蛋白）、GRMZM2G053338 （吲哚-3-乙酸-酰胺合成酶 GH3.8）等，此类基因与多个根长度和数量表型相关，其中GRMZM2G166176、GRMZM2G009045、GRMZM2G024196在初生根中的表达量较高，对玉米苗期根系生长影响较大。G2组表达水平较低，平均水平为4.687，包括GRMZM2G019363 （细胞分裂素核苷 5'-单磷酸磷酸核糖水解酶）、GRMZM2G028386 （乙烯响应因子）等共17个候选基因。G3组表达水平最高，平均水平达6246.5，涉及2个候选基

图6 49个玉米根系性状候选基因的动态表达模式

Fig. 6 Dynamic expression patterns of 49 candidate genes for maize root traits

比例尺表示标准化的基因表达水平，X1~X18代表根系发育的不同时期和取材部位，分别表示播种3天后的初生根、初生根分生组织和伸长区、初生根分化带、根皮质薄壁组织、根维管柱、播种6天后的初生根、播种7天后的根系、初生根、种子根、初生根Z1区、初生根Z2区、初生根Z3区、初生根Z4区、V7时期地下节根Nodes1-3、V7时期地下节根Node4、V7时期地下节根Node5、V13时期地下节根Node5和V13时期地上节根6，详见文献［17］

The scale bars indicate the normalized gene expression levels， X1-X18 represent the 18 different stages and sample sites of maize root，Primary_Root_3DAS，Root_MZ_and_EZ_3DAS，Root_DZ_3DAS，Root_CP_3DAS，Root_Stele_3DAS，Primary_Root_GH_6DAS，Root_System_7DAS，Primary_Root_7DAS，Seminal_Roots_7DAS，Primary_Root_Z1_7DAS，Primary_Root_Z2_7DAS，Primary_Root_Z3_7DAS，Primary_Root_Z4_7DAS，Crown_Roots_Nodes1-3_V7，Crown_Roots_Node4_V7，Crown_Roots_Node5_V7，Crown_Roots_Node5_V13 and Brace_Roots_Node6_V13，See references［17］ for details；DAS： Days after sowing； MZ： Meristematic zone ；EZ： Elongation zone； DZ： Differentiation zone； CP： Cortical parenchyma； GH： Greenhouse

表3 玉米根系相关性状候选基因及功能注释

Table 3 Candidate genes and functional annotation of root-related traits in maize

位点编号 SNP ID	染色体 Chr.	性状 Traits	表型贡献率（%） R²	P值 P-Value	候选基因 Candidate genes	基因注释 Gene annotation
1_166981206	1	侧根数	9.17	6.41e^-06	GRMZM2G427635	L-古洛内酯氧化酶6
1_206385096	1	总根长	18.97	9.52e^-06	GRMZM2G028386	乙烯反应性转录因子；ABI4
1_206385096	1	侧根长	18.41	1.20e^-05	GRMZM2G028386	乙烯反应性转录因子；ABI4
1_251200157	1	总根数	6.42	2.95e^-08	GRMZM5G800723	跨膜转运蛋白
1_251200157	1	侧根数	6.57	2.67e^-07	GRMZM2G031938	跨膜转运蛋白
1_286398761	1	总根数	3.89	2.96e^-05	GRMZM2G047656	过氧化物酶50
		侧根数	5.14	1.10e^-05	GRMZM2G047456	过氧化物酶73
		侧根数	5.14	1.10e^-05	GRMZM2G047855	CK2蛋白激酶α2
1_295620562	1	主根长	9.12	3.28e^-05	GRMZM5G870592	转录因子；MYB98
1_49125460	1	总根数	13.75	6.05e^-09	GRMZM2G038015	bZIP转录因子53
		侧根数	13.21	1.18e^-09	GRMZM2G301823	卡尔文循环蛋白；CP12-1
					GRMZM2G124785	烟酰胺合成酶2
					GRMZM2G030036	烟酰胺合成酶2
2_28772500	2	根表面积	18.10	7.96e^-05	GRMZM2G024196	金属烟酰胺转运蛋白；YSL13
3_173595394	3	总根数	0.54	9.57e^-05	GRMZM2G156861	亚麻酸盐9S-环氧合酶1；LOX1
3_173595394	3	总根数	0.54	9.57e^-05	GRMZM2G035092	MADS-box转录因子家族蛋白
3_180962923	3	最大根长	19.26	7.75e^-05	GRMZM2G135713	E3泛素蛋白连接酶；PUB23
					GRMZM2G164141	尿酸酶
					GRMZM2G074262	丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶；Nek5
3_216403250	3	最大根长	16.97	8.09e^-05	GRMZM2G024144	脂质磷酸磷酸酶2
4_188926542	4	总根数	5.47	1.01e^-06	GRMZM2G090728	蛋白质毛状体双折射样34；TBL34
4_188926542	4	总根数	5.47	1.01e^-06	GRMZM2G089819	油菜素甾体LRR受体激酶
4_235769853	4	侧根数	0.78	3.17e^-07	GRMZM2G074122	磷酸烯醇丙酮酸羧化酶3
6_123944395	6	总根数	3.29	3.22e^-09	GRMZM2G137108	NOD26样膜固有蛋白2；ZmNIP2；2.
6_123944395	6	侧根数	3.20	6.52e^-06	GRMZM2G042607	β-1，3-半乳糖基转移酶
7_113008838	7	总根长	18.97	9.52e^-06	GRMZM2G169356	蛋白质ODRANT1
7_113008838	7	侧根长	18.41	1.20e^-05	GRMZM2G169356	蛋白质ODRANT1
7_130676775	7	总根长	18.97	9.52e^-06	GRMZM2G009045	线粒体磷酸载体蛋白3
7_130676775	7	侧根长	18.41	1.20e^-05	GRMZM2G009166	G型凝集素S-受体类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶
7_153461125	7	主根长	9.55	1.34e^-05	GRMZM2G019363	胞激肽核糖核苷5'-单磷酸磷酸核糖水解酶
7_153461125	7	主根长	9.55	1.34e^-05	GRMZM2G168614	根毛特异性17
7_159618471	7	最大根长	15.62	9.74e^-05	GRMZM2G175812	III型聚酮合酶B
7_168310521	7	总根数	11.15	1.01e^-11	GRMZM2G107562	铜氧还蛋白超家族蛋白
7_171777378	7	主根长	5.28	3.82e^-05	GRMZM2G053338	吲哚-3-乙酸酰胺合成酶GH3.8
7_45582095	7	总根数	4.63	9.52e^-06	GRMZM2G125175	硫酯酶家族蛋白
7_45582095	7	主根长	7.10	1.20e^-05	GRMZM2G125165	卤酸脱卤酶TATA盒结合蛋白假基因
7_93417920	7	总根长	18.97	9.52e^-06	GRMZM2G110685	受体样蛋白激酶假基因
7_93417920	7	侧根长	18.41	1.20e^-05	GRMZM2G110685	受体样蛋白激酶假基因
7_93692133	7	总根长	18.97	9.52e^-06	GRMZM2G367355	含五肽重复序列的蛋白质
7_93692133	7	侧根长	18.41	1.20e^-05	GRMZM2G367355	含五肽重复序列的蛋白质
8_118898293	8	根直径	13.43	3.10e^-05	GRMZM2G166176	甘油-3-磷酸酰基转移酶5
8_121430225	8	总根长	17.71	1.64e^-05	GRMZM2G034019	PLAC8家族蛋白
8_121430225	8	侧根长	18.13	1.11e^-05	GRMZM5G827266	40S核糖体蛋白S26类
8_138238391	8	不定根数	14.98	6.03e^-06	GRMZM2G080858	WAT1相关蛋白
8_71505879	8	根表面积	16.54	4.83e^-05	GRMZM2G021790	乙烯反应性转录因；ERF094
9_12377378	9	总根数	13.28	1.51e^-06	GRMZM2G160005	生长素反应因子16；AUX16
9_12377378	9	侧根数	12.73	7.26e^-08	GRMZM2G160005	生长素反应因子16；AUX16
9_151903531	9	侧根长	19.81	9.24e^-05	GRMZM2G126936	含NAC结构域的蛋白2；NAC2
9_151903531	9	侧根长	19.81	9.24e^-05	GRMZM2G392737	MAP激酶家族蛋白
10_120515728	10	根直径	13.61	7.72e^-05	GRMZM2G316925	钙结合蛋白；CML25/26
10_128348759	10	总根长	19.03	4.97e^-05	GRMZM2G111462	ABC转运蛋白B家族成员15
10_128348759	10	侧根长	19.47	2.92e^-05	GRMZM2G058573	NAD依赖性蛋白脱乙酰酶；SRT1
10_146012678	10	总根数	1.58	1.58e^-08	GRMZM2G180471	蛋白磷酸酶2C9
10_76817153	10	总根长	22.01	1.31e^-06	GRMZM2G068808	烯丙基二磷酸合成酶
		侧根长	22.34	9.09e^-07
		根表面积	16.79	3.86e^-05

因，分别为GRMZM2G156861 （亚油酸9S-脂氧合酶1， LOX1）、GRMZM5G827266（核糖体蛋白 S26），这两个基因在关联位点3_173595394和8_121430225的LD衰减范围内，与主根的长度和数量相关联。G4组基因在不同时期表达差异较大，包括GRMZM2G124785（烟胺合酶2）和GRMZM2G030036（烟胺合酶2），二者均在关联位点1_49125460的LD衰减范围内，与侧根数量相关，在种子播种后的多个时期表达显著：根冠V7时期^［

17］、播种后 7 天初生根等10个时期平均表达量达1295.4，其他时期平均表达量为4.219。G5组共涉及17个候选基因，在根系生长发育的各个时期均有一定的表达，且表达量相对均一，其中包括GRMZM2G074122 （磷酸烯醇丙酮酸羧化酶3）、GRMZM2G047855 （CK2蛋白激酶α2）等，平均表达量为158.44。

3 讨论

本研究共发掘到32个根系性状SNP位点（P=1.01e^-11~9.74e^-5），大部分表型贡献率较低，未出现受强烈选择的主效位点，这与前人根系相关研究结果类似^［

20-21］，主要由于根系相关表型受微效多基因控制^{［参考文献 22-23}22-23］。在显著SNP中，有12个位于已定位到根系相关QTL的染色体区间内，证明这些位点具有较高的可信性，如7_130676775与总根长和侧根长显著关联，表型贡献率分别为18.97%和18.41%，为主效SNP，位于bin 7.03，Burton等^{［参考文献 22

百度学术}22］在该区间定位到控制玉米种子根数量的QTL位点。3_180962923是控制最大根长的主效SNP（表型贡献率=19.26%），位于bin 3.06，该区域检测到一个控制根冠总长的QTL^{［参考文献 24

百度学术}24］。1_295620562和8_121430225是与根长显著关联的位点，分别位于bin 1.02和bin 8.05，对主根长表型贡献率为9.12%和17.71%，Ju等^{［参考文献 25

百度学术}25］利用Zong3×Yu87-1构建的RIL群体定位玉米幼苗根系相关QTL，在bin 1.02和bin 8.05分别检测到控制根体积和根表面积的QTL。7_113008838、2_28772500、8_138238391、7_45582095、4_188926542、1_166981206和3_216403250与总根长、侧根长、主根长等性状显著关联，表型贡献率在4.63%~16.97%，分别位于bin 7.03、bin 2.04、bin 8.05、bin 7.02、bin 4.08、bin 1.05和bin 3.09；Liu等^{［参考文献 26

百度学术}26］利用3种方法鉴定了玉米苗期根系表型并进行了QTL分析，在上述区间也发现了控制根系性状的位点。以上这些位点附近可能含有在不同环境稳定调控根系性状的基因，是后续克隆根系发育相关基因的重要位点。此外，本研究还定位到 20 个与根系性状相关的新位点，这是由于玉米根系性状受微效多基因控制，受定位方法和群体遗传背景等因素限制，特定研究很难定位到所有相关微效基因，因此，利用新群体开展根系相关性状的全基因组关联分析，可为玉米根系性状的遗传解析提供新参考。

从32个与玉米根系性状显著关联的SNP位点内共挖掘出了49个候选基因。GRMZM2G028386 （ABI4）为乙烯响应因子，是主效SNP 1_206385096的候选基因，研究表明乙烯可以激发根系表皮细胞生长素的合成和运输，从而调控植物根系发育^［

27］。GRMZM2G024196（YSL13）为金属烟胺转运体，研究表明该基因在水稻中的同源基因OsYSL13在Fe的转运过程中发挥重要作用，能够将根系吸收的Fe转运到籽粒和嫩叶中^{［参考文献 28

百度学术}28］。GRMZM2G156861（LOX1）为亚油酸9S-脂氧合酶1，研究发现，单线态氧能够清除组氨酸对根系生长的抑制，在拟南芥下调LOX1的表达能够抑制单线态氧的形成，促进渗透胁迫下根系的生长^{［参考文献 29

百度学术}29］；黄瓜 LOX1在受到菌株Bc-cm103激活后，表达量会明显上调，该基因在黄瓜根腐病中有着正向调节作用^{［参考文献 30

百度学术}30］。GRMZM2G135713（PUB23）为E3泛素-蛋白连接酶，为控制根长的主效SNP 3_180962923的候选基因，在拟南芥中PUB22/23与砷胁迫响应有关，其双突变体植株根系变长^{［参考文献 31

百度学术}31］。GRMZM2G090728（TBL34）为主根长候选基因，是SNP 4_188926542，已定位到根干重QTL区间内，拟南芥TBL34和TBL35在根-下胚轴和木质部细胞特意表达，参与木聚糖乙酰化^{［参考文献 32

百度学术}32］。GRMZM2G042607（GALT1）为β-1，3-半乳糖基转移酶，在棉花中GALT1基因参与植物细胞壁果胶的生物合成，过表达该基因可促进根系生长^{［参考文献 33

百度学术}33］；GRMZM2G126936（NAC2）为NAC家族中一个重要转录因子，其同源基因在大豆^{［参考文献 34

百度学术}34］、豇豆^{［参考文献 35

百度学术}35］、丹参^{［参考文献 36

百度学术}36］、辣椒^{［参考文献 37

百度学术}37］等作物受到干旱胁迫上调表达，拟南芥AtNAC2基因作为乙烯和生长素信号通路下游的转录因子，参与响应盐胁迫和侧根发育^{［参考文献 38

百度学术}38］。GRMZM2G038015 （bZIP53）可受赤霉素诱导从而调控CesA1基因在玉米籽粒中的表达^{［参考文献 39

百度学术}39］，未见其根系发育相关功能报道，但杨树bZIP53能够与IAA4结合调节不定根发育^{［参考文献 40

百度学术}40］；拟南芥bZIP53与bZIP1共同调节根系碳、氮代谢，从而提高植株对盐胁迫的耐受性^{［参考文献 41

百度学术}41］。以上基因是控制玉米苗期根系发育的重要候选基因，此外，还有GRMZM2G137108（ZmNIP2；2）编码玉米水通道蛋白，参与硅的运输^{［参考文献 42

百度学术}42］，GRMZM2G019363为细胞分裂素核苷 5'-单磷酸磷酸核糖水解酶，GRMZM2G168614为根毛特异性基因17，GRMZM2G160005（AUX16）为生长素响应因子，GRMZM2G021790（ERF094）为乙烯响应转录因子等，这些基因也为发掘玉米苗期根系发育相关基因提供了重要参考。

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