玉米作为我国第一大作物,对保障粮食安全和国民经济发展意义重大。穗粒数是重要的玉米产量构成因子之一,由微效多基因控制。目前,由于对玉米产量形成的遗传基础及其关键位点的认识仍十分有限,深入解析其遗传基础、克隆其关键基因对玉米产量性状的分子育种具有重要理论和实践意义。在玉米第七号染色体上,实验室前期利用染色体片段渗透系鉴定到一个控制玉米穗长、行粒数和穗重的主效QTL（Quantitative Trait Locus）,命名为qEL7。在此基础上,本研究采用图位克隆策略开展对qEL7的精细定位与克隆、候选基因功能分析、基因表达分析、分子进化分析以及有利等位基因挖掘等研究,主要结果包括:1.qEL7的精细定位与克隆:以近等基因系qEL7Ye478（长穗）和qEL7SL17（短穗）,构建回交分离群体。在约12,000个BC1籽粒中,我们共鉴定到127个在QTL区段发生重组的籽粒,分为7种重组类型。基于子代测验,我们将qEL7定位于分子标记M4-M5约50.8 kb的区间。该区间仅含有一个编码1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶2（1-aminocyclopropane-1-carboxylate oxidase2,ACO2）的功能基因,命名为ZmACO2。近等基因系间DNA序列比较分析发现,在ZmACO2的5’-UTR（Untranslation Region）和上游区域共检测到11个SNP（Single Nucleotide Polymorphism）和5个In Del（Insertion/Deletion）,而基因编码区无序列差异。说明近等基因系间的表型差异可能是由于ZmACO2基因上游的序列变异所引起。2.ZmACO2的生物学功能:利用CRISPR/Cas9技术,我们创制了ZmACO2的2个功能缺失突变体（aco2-cr1和aco2-cr2）;利用玉米Ubiqutin启动子驱动ZmACO2全长CDS,我们获得了3个过表达ZmACO2的转基因家系（ACO2-OE1、ACO2-OE2和ACO2-OE3）。对转基因家系及其后代的遗传分析,我们发现相较于非转基因家系（control-cr）,aco2-cr1和aco2-cr2的穗长分别增加0.86 cm(p=2.37?10-8)和0.81 cm(p=1.87?10-9);行粒数分别增加3.49粒(p=6.82?10-20)和1.80粒(p=1.44?10-9);穗重分别增加12.31 g(p=1.41?10-5)和11.31 g(p=1.15?10-4)。反之,在过表达事件中,相对于非转基因家系（control-OE）,ACO2-OE1、ACO2-OE2和ACO2-OE3的穗长分别减少1.36 cm(p=5.79?10-10)、1.17 cm(p=1.64?10-10)和1.16 cm(p=2.32?10-9);行粒数分别减少2.06粒(p=3.76?10-7)、3.76粒(p=1.99?10-19)和3.36粒(p=42.68?10-13);穗重分别减少19.61 g(p=5.38?10-8)、17.95 g(p=1.24?10-8)和20.90 g(p=1.54?10-8)。结果表明,ZmACO2是一个负调控玉米穗长、行粒数和穗重的功能基因。3.ZmACO2的表达和生化功能分析:基因表达模式分析发现,ZmACO2在所分析的组织器官中组成型表达,在成熟叶片和幼穗中高量表达。在2-5 mm的幼穗中,ZmACO2在短穗家系qEL7SL17中的表达显著高于其在长穗家系qEL7Ye478中的表达,说明ZmACO2的表达差异可能与近等基因系间的表型差异密切相关。m RNA原位杂交显示,ZmACO2在SPM起始原基、SPM近轴端区域、两个SM的分界区域、SM的基部以及FM处特异性表达。在小花发育过程中,ZmACO2在内稃和颖片中表达。说明ZmACO2在雌花序腋生分生组织的起始和发育以及花器官分化和发育中发挥其作用。体外表达纯化ZmACO2蛋白并测定酶活性,结果表明ZmACO2蛋白能够催化底物1-氨基环丙烷-1-羧酸（1-aminocyclopropane-1-carboxylate,ACC）产生乙烯。进一步,测定近等基因系间内源乙烯的水平发现,在2 mm和5 mm的幼穗中,短穗家系qEL7SL17的内源乙烯水平显著高于长穗家系qEL7Ye478。同样,我们也测定了ZmACO2的敲除家系（aco2-cr1）和过表达家系（ACO2-OE3）以及各自相应的非转基因家系（control-cr和control-OE）中幼穗的乙烯释放量。相较与各自对应的野生型家系,aco2-cr1幼穗中的乙烯释放量显著降低,而ACO2-OE3幼穗中的乙烯释放量显著上升。体外和体内试验结果说明,ZmACO2具有催化底物ACC合成乙烯的功能。4.候选基因关联分析:在214份自然群体中,我们对3,539 bp的ZmACO2基因区和启动子区进行了重测序分析,共检测到56个MAF＞0.05的多态性位点,其中5个位点与穗长显著关联(p=1.73?10-4),包括ZmACO2启动子区中1个7 bp的In Del和4个SNP位点,这5个位点在同一个连锁不平衡区域内,其可以划分为HapYe478和HapSL17两种单倍型。相较于HapYe478,HapSL17穗长平均缩短1.23 cm(p=6.94?10-5),行粒数平均减少1.96粒（p=0.004）。而且ZmACO2在HapYe478材料中的表达量显著低于其在HapSL17材料中的表达水平(p=1.30?10-4)。说明ZmACO2启动子区的变异影响其基因的表达量,是自然群体中影响穗长和行粒数变异的重要功能位点。5.qEL7/ZmACO2的育种效应评估:利用qEL7Ye478和qEL7SL17分别与13个自交系杂交,构建了26种F1杂交组合。对杂交种的产量相关性状鉴定发现,在不同遗传背景下,相较于自交系?qEL7SL17杂交组合,与qEL7Ye478杂交所得的杂交种,其果穗长度增长约0.69-1.72 cm、行粒数增加1.82-3.73粒、穗重增加12.12-36.25 g。同样,利用ZmACO2功能缺失家系aco2-cr1和contro-cr分别与6个自交系杂交,构建12种F1杂交组合。结果表明,相较于自交系?control-cr杂交组合,与aco2-cr1杂交所得的F1杂交种,其果穗长度增长0.56-1.21 cm、行粒数增加1.91-2.43粒、穗重增加16.25-28.36 g、单穗籽粒重增加9.05-29.60 g。以上结果说明不论是自然变异的qEL7位点,还是利用CRISPR/Cas9创制的新等位基因aco2-cr1,其在不同的遗传背景下都可以提高杂交种的单穗籽粒产量。6.ZmACO2调控穗部性状的可能途径:对近等基因系qEL7Ye478和qEL7SL17中约2 mm的幼穗组织进行转录组分析,发现2个赤霉素、6个油菜素内酯、7个生长素、8个茉莉酸和17个细胞分裂素合成相关基因在近等基因系间差异表达;对近等基因系间幼穗组织中内源激素测定表明,qEL7SL17幼穗中的生长素和茉莉酸的含量显著高于qEL7Ye478,说明内源乙烯水平的增加使得激素稳态平衡被破坏。此外,控制玉米分生组织发育的相关基因,包括生长素途径中FEA4、BIF4和VT2,茉莉酸途径中TS1和TS2等,在近等基因系间也显著差异表达。因此,我们推测乙烯可能与其它激素的互作、通过调节花序发育相关基因的表达进而调控分生组织的活性,最终引起穗部表型变异。但是,其潜在的作用机制仍需进一步研究。7.ZmACO2位点的分子进化分析:我们利用已有的198份大刍草、354份地方品种和513份自交系重测序数据,分析了ZmACO2位点上下游约100 kb区域的核酸多态性,发现ZmACO2位点所在的约40 kb的区域,相较于大刍草,地方品种和现代玉米中的核酸多态性降低约50%,推测该区域可能受到了选择。我们对53份大刍草和44份地方品种的ZmACO2进行重测序,结合214份玉米自交系中ZmACO2的序列,对核苷酸多样性、Tajima’s D和HKA（Hudson-Kreitman-Aguade）检验进行分析,发现ZmACO2位点在玉米驯化过程受到了选择的作用,而且优良单倍型HapYe478在现代玉米自交系中被富集。上述研究结果证实了ZmACO2的生物学功能和育种利用价值,首次发现了乙烯通过调节玉米分生组织活性和小花育性进而调控穗粒数形成的重要作用,为阐明玉米穗粒数形成遗传学基础积累了有益资料,也为玉米产量性状的遗传改良提供了新的基因资源。