玉米是世界上最重要的农作物。大刍草是玉米的野生祖先,在驯化的过程中,现代玉米的植株和果穗形态发生了很大的变化。大刍草资源的引入有助于驯化相关性状遗传机理的解析。穗长是构成玉米产量的重要因子之一。因此,控制玉米穗长的基因的克隆以及穗长建成的遗传基础的研究能够为玉米产量的遗传改良奠定理论基础,对提高玉米单产具有重要意义。另一方面,系谱选育、杂种优势利用等传统育种方法仍然是当前玉米育种的主要手段。玉米种质资源的多样性是玉米品种改良的基础。因此,对玉米种质杂种优势群及其利用模式的研究同样对于提高玉米产量具有重要的价值。本实验室前期以玉米自交系Mo17和大刍草X26-4（Zea mays ssp.mexicana）构建的玉米-大刍草渗入系群体为材料,在第3号染色体长臂上定位到一个控制玉米穗长的主效QTL-qEL3L。在此基础上,本研究以该群体的剩余杂合系衍生群体为材料,在目标QTL区域开发InDel标记加密标记,对qEL3L进行精细定位,并克隆了目的基因EL3。随后,通过基因敲除、超表达、转录组分析等方法研究EL3的功能,并解析EL3调控玉米穗长发育的遗传基础。此外,本研究以本实验室前期搜集的269份育种中广泛应用的优良玉米自交系为材料,基于SNP标记,利用群体结构分析、聚类分析以及PCoA分析对这些材料进行了杂种优势群的划分,并对我国玉米自交系杂种优势利用模式的变化规律进行了分析。主要研究结果如下:1.利用玉米-大刍草渗入系群体的剩余杂合系衍生群体对qEL3L的效应进行了验证,发现包含Mo17等位基因的个体比包含大刍草等位基因的个体穗长长1.89cm,说明qEL3L的效应是真实存在的。利用剩余杂合系衍生的分离群体（11,765个个体）和25个开发的InDel分子标记筛选重组单株,通过后代验证将qEL3L精细定位到63Kb的区间内。该区段只包含一个注释基因Zm00001d043270,命名为EL3。为进一步验证EL3为qEL3L的候选基因,对EL3进行了CRISPR/Cas9介导的基因敲除和超表达遗传转化,发现敲除EL3基因能够增加玉米穗长,而超表达EL3基因能够减少玉米穗长,证明EL3调控玉米穗长的变异。2.EL3基因编码一个ULT转录因子。亚细胞定位发现该基因定位在细胞核和细胞质中。EL3在雌穗分生组织中表达量高,同时mRNA原位杂交分析发现该基因在雌穗侧生原基起始处表达。实时定量PCR研究表明EL3基因在包含大刍草等位基因的近等基因系（短穗）雌穗分生组织的表达量显著高于包含Mo17等位基因的近等基因系（长穗）的表达量。结合基因敲除和超表达分析的结果,说明EL3基因是玉米穗长的负调控因子。结合近等基因系雌穗花序分生组织的转录组分析和前人的研究,初步构建了EL3基因参与调控玉米雌穗发育的调控网络,该基因通过调控下游多个花序发育相关基因的表达影响玉米穗长的变异,为后续基因功能的研究以及玉米穗部发育遗传调控机制的研究提供了重要的参考。3.近等基因系21个农艺性状的表型分析表明,EL3基因能够在不显著改变玉米株型和穗形的条件下,显著增加玉米的穗粒数,在玉米产量改良上具有重要的应用潜力。EL3基因的CRISPR/Cas9基因敲除突变体几乎对所有的农艺性状具有显著的正效应,而超表达材料对大多数农艺性状具有负效应,并表现出高度分支的结构。这些结果说明EL3是一个多效性的基因。4.通过对84份玉米自交系、34份地方品种和49份大刍草材料中EL3基因的序列多态性分析发现,该基因在大刍草中的核苷酸多态性高于玉米和地方品种,说明该基因在玉米驯化过程中受到了选择。5.将269份育种中广泛应用的玉米自交系材料划分为7组,其中5个主要类群与我国育种项目中已知的杂种优势群相一致——改良瑞得、兰卡斯特、自330、唐四平头和温热Ⅰ群（或“P”群）。揭示了 1970-2000年间我国玉米自交系杂种优势模式利用的变化规律,分别以Mo17（兰卡斯特）、黄早四（唐四平头）、掖478（改良瑞得）和P178（温热Ⅰ群）为代表。首先以Mo17为亲本组配的杂交种在20世纪70年代到80年代得到大范围种植,紧接着在80到90年代,以黄早四和掖478组配的杂交种得到了广泛的应用,90年代以后,引入的温热Ⅰ群种质在育种中的应用比重越来越大。鉴定出丹340是我国最广泛利用的商业杂交种郑单958的母本——郑58最有可能的亲本之一。综上所述,本研究图位克隆了玉米穗长的负调控因子EL3,该基因通过调控下游多个花序发育相关基因的表达影响玉米穗长的变异;阐明了该基因为一因多效的基因,并在玉米驯化过程中受到选择。同时,本研究揭示了 1970-2000年间我国玉米自交系杂种优势利用模式的变化规律,并鉴定了丹340是郑58最有可能的未知亲本之一。