玉米籽粒糖相关性状的全基因组关联分析及候选基因功能解析

本研究通过全基因组关联分析（GWAS）鉴定出93个与玉米籽粒糖含量相关的显著数量性状核苷酸（QTNs），结合转录组和蛋白互作网络筛选出6个关键候选基因（如Zm00001d036971等），揭示了其通过代谢途径和细胞通讯调控糖积累的分子机制，为高糖玉米育种提供了分子标记和理论依据。

　　

1 引言

玉米（Zea mays L.）作为全球重要作物，其籽粒糖含量直接影响营养品质和工业应用价值。尽管甜玉米中已发现sh1、bt2等糖代谢相关基因，但普通大田玉米的遗传机制仍不明确。本研究针对495份玉米自交系，通过多环境表型分析结合1261万高质量单核苷酸多态性（SNPs），系统解析了还原糖含量、可溶性糖含量及其比率的遗传基础，填补了领域空白。

2 材料与方法

2.1 材料与表型采集

495份材料涵盖四大杂种优势群（SS、NSS、TST和混合群），在长沙（2018）和三亚（2020/2022）三环境下种植。采用3,5-二硝基水杨酸比色法和蒽酮-硫酸法测定糖含量，利用最佳线性无偏预测（BLUP）值消除环境干扰。

2.2 基因型分析与GWAS

基于Illumina测序平台获取SNPs数据，使用混合线性模型（MLM）校正群体结构和亲缘关系，显著性阈值设定为p<1×10^-6（Bonferroni校正）。

2.3 候选基因筛选

以显著SNP位点上下游100 kb为区间，结合B73籽粒发育转录组（21个时期），筛选高表达基因。通过STRING构建蛋白互作网络，AgriGO进行基因本体（GO）富集分析。

3 结果

3.1 表型变异特征

糖含量性状变异系数达28.84%-53.86%，广义遗传力（H²）为87.90%-93.98%。热带亚热带群（TST）糖含量显著高于其他群组。

3.2 GWAS与候选基因

共检测到93个QTNs，其中30个与还原糖含量相关，62个与糖比率相关。6个高表达候选基因中，Zm00001d036971（ATP/GTP结合蛋白）在多个环境中稳定检出。

3.3 分子机制解析

蛋白互作网络显示：

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  Zm00001d040189（CUC1-like蛋白）与EREB转录因子互作，调控种子发育

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  Zm00001d028974（EIL转录因子）通过MPK信号通路影响糖代谢

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  Zm00001d022316（蛋白酶体亚基）与PRC2复合体协同调控胚乳发育

3.4 单倍型应用

Zm00001d040189的Hap9单倍型可使糖含量提高23.5%，且不影响产量性状。共表达网络发现18个已知籽粒发育基因（如Dek1、Mn1等）与候选基因显著相关。

4 讨论

本研究首次在普通玉米中系统解析糖含量遗传架构，发现的QTNs与已报道的淀粉、油脂QTL存在重叠区域，暗示多性状协同调控。候选基因Zm00001d036971通过MYB转录因子（mybr110）调控糖转运，而Zm00001d052399可能通过脂肪代谢（Fat2互作）间接影响糖积累。

5 结论

研究鉴定的6个候选基因及其单倍型为分子设计育种提供靶点，尤其Zm00001d040189和Zm00001d036971可作为高糖玉米育种的优先标记。未来需通过基因编辑验证这些基因在糖代谢通路中的精确功能。