玉米開花期相關的Indeterminate domain (IDD)蛋白家族基因的鑒定

李云富 王靜賢 杜艷芳 鄒華文 張祖新,*

?

玉米開花期相關的Indeterminate domain (IDD)蛋白家族基因的鑒定

李云富1,2王靜賢1杜艷芳1鄒華文2張祖新1,*

1華中農(nóng)業(yè)大學 / 作物遺傳改良國家重點實驗室, 湖北武漢 430070;2長江大學農(nóng)學院, 湖北荊州 434000

開花期是影響玉米產(chǎn)量的重要因子之一。()編碼玉米Indeterminate domain (IDD)家族蛋白, 是玉米開花期的重要調(diào)控因子。然而, 其他玉米IDD蛋白家族基因及其生物學功能有待深入研究。本文利用生物信息學技術在玉米基因組中鑒定并分離了37個IDD家族基因, 記作。表達分析發(fā)現(xiàn)這些基因在8個玉米組織中顯示出多種表達模式。為進一步探討基因在調(diào)控玉米開花期上的作用, 檢測了37個在172個自交系中的遺傳多樣性, 發(fā)現(xiàn)35個基因在自交系間具有多態(tài)性, 平均每個基因具有37.8個多態(tài)性位點。關聯(lián)分析鑒定到包含在內(nèi)的7個基因在多個環(huán)境下與開花期性狀顯著關聯(lián)。對基因2 kb的啟動子區(qū)和600 bp編碼區(qū)重測序, 共鑒定到64個多態(tài)性位點。候選基因關聯(lián)分析鑒定到2個啟動子區(qū)的插入缺失(In/Del)位點與開花期顯著關聯(lián), 其中2個位點分別插入3 bp和2 bp的單倍型為一種提早開花的基因型。研究結果為玉米開花期相關基因的分離和利用研究提供了候選基因和選擇靶點。

玉米(L.); 開花期; IDD蛋白家族; 關聯(lián)分析; 重測序

開花期是玉米適應當?shù)丨h(huán)境的重要性狀之一。大約一萬年前, 玉米起源于墨西哥西南部, 由其野生祖先大芻草馴化而來[1]。早期的玉米地方品種往往表現(xiàn)出明顯的光周期敏感性, 在短日照條件下開花。持續(xù)不斷的人工改良, 使得現(xiàn)代玉米栽培品種光周期敏感性下降以適應在不同光周期條件下栽培[2]。由營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)換是玉米生長發(fā)育的關鍵時期, 這一轉(zhuǎn)換不僅直接決定植株開花期, 也與植株生殖發(fā)育密切相關, 進而影響產(chǎn)量[3]。因而, 開花期是玉米育種和生產(chǎn)的重要目標性狀。玉米開花期性狀一般包括抽雄期(days to tassel, DTT)、散粉期(days to anthesis, DTA)、吐絲期(days to silking, DTS)和散粉—吐絲間隔期(anthesis-silking interval, ASI)。這4個性狀均屬于數(shù)量性狀, 由多基因控制[4]。

近年來, 隨著基因組學和分子數(shù)量遺傳學的理論與技術的發(fā)展, 科學家對玉米開花期的遺傳基礎已有初步了解, 并且已有多個玉米生育期相關基因被鑒定和分離。這些基因主要涉及花器官發(fā)育、光周期響應、激素合成與信號、成花素調(diào)控等途徑[5]。參與玉米光周期響應調(diào)控的基因主要有、和家族基因。2和均編碼一種磷脂酰乙醇胺結合蛋白, 分別與擬南芥TFL和FT同源; ZCN2和ZCN8蛋白在葉片中表達分別經(jīng)木質(zhì)部和韌皮部運輸?shù)巾敹朔稚M織, 參與調(diào)控玉米生殖轉(zhuǎn)換[6-7]。玉米家族基因和Zm也是光周期響應調(diào)控的重要基因。負調(diào)控表達, 延遲玉米在長日照條件的開花期[8]。是的同源基因, 也是玉米重要的光周期調(diào)節(jié)基因[9-11]。在玉米改良過程中,和這2個位點上的轉(zhuǎn)座子插入等位基因被選擇利用, 導致現(xiàn)代玉米對光周期的敏感性下降, 適應性種植緯度擴大[8-11]。植物激素信號也參與玉米開花期的調(diào)控。()、()和是赤霉素合成和信號途徑上的重要基因[12-14]。和均編碼DELLA蛋白, 關聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)與長日照條件下玉米開花相關, 一個編碼區(qū)6 bp缺失突變體提前開花, 而過表達也會導致開花提前[12-13]。編碼一個赤霉素合成抑制酶, 通過調(diào)控赤霉素的水平而影響開花[14]。生殖轉(zhuǎn)換和花器官發(fā)育是植物開花的生物學基礎, 生殖轉(zhuǎn)換和花器官發(fā)育相關基因也是開花期相關基因。如玉米是擬南芥()的同源基因, 參與玉米生殖轉(zhuǎn)換[15];是擬南芥中()的同源基因, 抑制生殖轉(zhuǎn)換[16];上游70 kb非編碼區(qū)可作為順式因子調(diào)節(jié)功能基因的表達, 進而調(diào)控開花期[17]; MADS-BOX基因也參與玉米生育期調(diào)控, 如、和正調(diào)控玉米開花期[18-20]。

Buckler等[21]利用NAM (Nested Association Mapping population)群體鑒定到100多個與開花期相關的QTL, 但已分離的開花期相關基因仍然十分有限。在植物中, INDETERMINATE-domain (IDD)家族蛋白是一類鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子, 也參與植物開花期的調(diào)控。如擬南芥的和通過改變植物體內(nèi)含糖量和淀粉代謝調(diào)控開花[22]。水稻的是IDD蛋白家族基因成員之一, 其突變體在適宜的條件下也無法開花, 表明是水稻開花期控制的關鍵因子[23]。()是玉米中第1個被克隆的IDD蛋白家族基因, 其突變體表現(xiàn)為葉片增多、花序發(fā)育異常、開花期延遲且不受光周期的影響[24], 但玉米IDD蛋白家族其他成員的功能仍有待研究。

本研究利用生物信息學技術、基于IDD同源結構域序列, 在玉米基因組中鑒定并分離了37個IDD 家族基因(), 分析了基因的表達模式和ZmIDD蛋白質(zhì)的結構; 關聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)了7個與開花期顯著關聯(lián)的基因, 鑒定了1個新的花期相關基因, 并進一步分析了該基因自然變異及其單倍型的遺傳效應。研究結果為深入解析玉米IDD家族基因?qū)﹂_花期的調(diào)控奠定了基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與表型鑒定

2017年春將全球收集的172份玉米自交系分別種植于華中農(nóng)業(yè)大學武漢試驗基地(30°N, 114°E)、鄂州試驗基地(30°N, 114°E)和襄陽(32°N, 112°E), 采用隨機區(qū)組設計, 雙行區(qū), 3次重復, 行長3.0 m, 行距 0.6 m, 株距0.3 m。以田間系內(nèi)50%的個體抽雄(植株雄穗尖端露出頂葉3~5 cm)、散粉(雄穗主軸開始散粉)和吐絲(植株雌穗的花絲從苞葉中伸出2 cm左右)分別記作該自交系的抽雄日期、散粉日期和吐絲日期分別減去播種日期, 即為抽雄期、散粉期和吐絲期。利用一般線性模型對3個環(huán)境下各性狀的均值進行最優(yōu)無偏估計分析(BLUP, best linear unbiased prediction), 獲得各自交系不同表型性狀的表型值用于關聯(lián)分析。

1.2 IDD家族基因序列獲取及進化樹構建

從TAIR (The Arabidopsis Information Resource)網(wǎng)站上提取擬南芥IDD家族基因的氨基酸序列, 以 FASTA格式保存。以已知的IDD (Zm00001d032922) 氨基酸序列作為查詢(Query)序列, 利用BlastP搜索MaizeGDB (Maize Genetic and Genomics Database) 數(shù)據(jù)庫, 初步篩選玉米IDD蛋白序列。將IDD家族特有的C2H2(E-value<0.001)鋅指蛋白序列用hmmbuild (hmmer3.1 b1)生成HMM文件, 搜索玉米B73 Pfam (http://pfam.sanger.ac.uk/)數(shù)據(jù)庫, 進一步獲得玉米的IDD家族蛋白的基因序列和氨基酸序列, 以FASTA 格式保存。將基因序列分別導入基因結構顯示系統(tǒng)(GSDS, http://gsds.cbi.pku.edu.cn/)[25], 繪制基因結構圖, 對個別顯示錯誤的結構圖進行手工修正。用軟件CLC Sequence Viewer (http://www.Qiagenbioin formatics.com/products/clc-sequence-viewer/)進行氨基酸多序列比對, 采用鄰近算法(Neighbor-Joining, NJ)構建系統(tǒng)進化樹, Bootstrap檢驗1000次。將玉米IDD蛋白氨基酸序列導入在線蛋白結構域分析系統(tǒng)(SMART)繪制基因蛋白結構圖。然后, 根據(jù)所預測的基因序列設計引物, 以PCR擴增cDNA序列, 并測序。比較擴增序列與預測序列, 驗證玉米IDD家族基因預測序列的準確性。

1.3 表達模式分析

從qteller下載玉米B73自交系轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù), 從中提取根、莖、葉、雌穗、雄穗、花絲、種子、花藥8個組織的表達數(shù)據(jù), 用heatmap.2制作heatmap圖。

1.4 關聯(lián)分析

本實驗室前期獲得了50萬個高質(zhì)量SNP所鑒定的368份自交系的基因型數(shù)據(jù)[26]。我們從中提取了172份自交系在37個IDD家族基因位點上的SNP基因型。在此基礎上, 結合基因型和表型數(shù)據(jù), 利用Tassel 3.0軟件和混合線性模型(MLM, mixed linear model)并以Q和K作為協(xié)變量開展關聯(lián)分析。參照Yang等[27]的研究結果進行關聯(lián)群體的結構分析(Q, population structure)和親緣關系分析(K, kinship coefficient)。采用<0.01作為寬松的顯著關聯(lián)的閾值, 設置 Bonferroni 校驗閾值為更為嚴格的顯著閾值, 即<1/(為所用到的標記數(shù))[28]。

1.5 重測序和候選基因關聯(lián)分析

為了研究在自交系群體的遺傳多樣性, 探究潛在的功能變異位點, 在172份自交系中重測序了該基因。首先, 根據(jù)B73參考基因組設計基因特異引物(R1-F: 5'-GTGTGGCTGCTTT TGCATTA-3'; R1-R: 5'-TCCTTGCACAGCAGTAA- 3'; R2-F: 5'-CTAAGCGTCCATCCAGTTCC-3'; R2-R: 5'-TTGGAGAAGCTCGTTGCTTT-3'), 以基因特異引物PCR擴增序列; 其次, 通過PCR產(chǎn)物測序以獲得各個自交系中序列; 將所有自交系的序列導入Bioedit (https://www.bioedit.com/)軟件進行序列比對, 提取各自交系在該基因座上的多態(tài)性位點; 最后, 利用各自交系多態(tài)性位點的基因型結合開花期表型, 使用Tassel3.0軟件(https://www.tassel.com/), 以Q和K為協(xié)變量進行候選基因關聯(lián)分析。

2 結果與分析

2.1 玉米IDD家族基因蛋白結構域和系統(tǒng)進化分析

已知IDD家族蛋白含有保守IDD結構域, 該結構域包含一個核定位信號和兩類鋅指蛋白結構域(C2H2和C2HC), 其中2個C2H2結構域為 TFIIIA 類型的鋅指結構。基于IDD家族蛋白的保守結構域, 在玉米基因組數(shù)據(jù)庫中共篩選到37個玉米IDD蛋白(ZmIDD) (圖1), 其中, 34個ZmIDD都包含3個保守基序, 僅含有2個保守基序,和各含1個保守基序, 推測這3個基因的生物學功能和作用機理可能有別于與其他IDD家族成員。進一步利用B73 RefGen V4 cDNA 序列設計引物, 以本實驗保存的B73為材料, PCR擴增基因序列并測序。序列分析發(fā)現(xiàn)大多數(shù)基因序列與參考基因組序列一致, 僅有少數(shù)基因存在單個堿基替換, 這些變異可能由PCR擴增所致或者由擴增材料與參考基因組B73有別所致。

使用玉米和擬南芥 IDD 家族蛋白的氨基酸序列, 通過CLC Sequence Viewer V8軟件構建玉米和擬南芥IDD家族蛋白的系統(tǒng)進化樹(圖2)?？梢钥闯? 玉米IDD家族蛋白可以分為3個分支, 每一分支上玉米IDD蛋白都有與之同源的擬南芥IDD蛋白。在擬南芥中, IDD家族基因的生物學功能和作用機理研究比較深入; 在玉米中, 除外的基因生物學功能和作用鮮為人知。因此,與擬南芥IDD家族基因的系統(tǒng)進化分析可為的生物學功能及其調(diào)控網(wǎng)絡解析提供借鑒和指導。

圖1 玉米IDD家族基因及其保守基序特征

通過GSDS2.0軟件展示基因結構。直線表示內(nèi)含子, 黑色矩形表示外顯子。通過MEME程序分析保守基序。黑色方框: motif 1; 灰色方框: motif 2; 白色方框: motif 3。

Gene structures are showed by the GSDS2.0. Putative conserved motifs of IDD family proteins are predicted by the MEME program. Black box: motif 1; gray box: motif 2; white box: motif 3.

2.2 IDD家族基因的表達模式

為了解IDD家族基因的表達模式, 提取了公共數(shù)據(jù)庫中B73自交系8個不同組織的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù), 構建了37個的表達模式圖(圖3)?？傮w上看, 多數(shù)基因在所研究的8個組織中低水平表達, 僅11個(29.7%)基因在至少1個組織中的mRNA水平均高于10 FPKM (fragments per kilobase of exon per million fragments mapped)。表達水平較高的基因也表現(xiàn)出明顯的組織特異性, 所有37個均在莖頂端分生組織、花藥和花粉中低表達, 2個基因(和)則在除花藥和種子外的6個組織中表達水平較高, 3個基因(、和) 在種子中特異性表達, 而在葉片中特異表達。這些基因的特異性表達模式暗示著各自發(fā)揮其功能的組織特異性以及玉米IDD家族基因發(fā)揮其作用的組織廣泛性。

2.3 玉米IDD家族基因的自然變異與開花期的關聯(lián)分析

分析了37個玉米IDD家族基因在172份自交系中的遺傳變異(表1)。由于標記密度和分布的原因, 2個(和) 基因沒有標記覆蓋, 其他35個基因分別由5~97個SNP所標記, 單個基因平均SNP數(shù)為37.8個。結合基因型和3個開花期性狀(抽雄期、吐絲期、散粉期)表型的關聯(lián)分析發(fā)現(xiàn), 在<0.01和<0.00075 (= 1/1323)下均鑒定到7個基因與開花期性狀顯著關聯(lián)(表1), 其中,、、和在3個環(huán)境和兩種閾值下均被檢測到。另外,、和在2個環(huán)境下檢測到與開花期性狀顯著關聯(lián), 這3個基因可能受環(huán)境誘導表達進而影響開花期。因此, 我們推測這7個基因可能是玉米開花期相關基因, 具有進一步深入研究的價值。

圖2 玉米和擬南芥IDD家族蛋白的系統(tǒng)進化樹

系統(tǒng)進化樹采用鄰接法構建, 自舉檢驗1000次。

The phylogenetic tree is constructed by Neighbor-Joining method with 1000 bootstraps based on the amino acid sequence of IDD proteins inand

圖3 37個玉米IDD家族基因表達模式

方框內(nèi)顏色顯示基因表達水平, RNA-seq數(shù)據(jù)用FPKM表示。

Color boxes show the expression level of maize IDD family genes. RNA-sequencing is showed by FPKM (fragments per kilobase of exon per million fragments mapped).

表1 玉米IDD家族基因的遺傳變異及其與開花期的關聯(lián)分析

Env: 環(huán)境。BLUP: 最優(yōu)線性無偏估計。表中每個環(huán)境列下的數(shù)字分別表示與抽雄期、吐絲期和散粉期顯著關聯(lián)的標記數(shù), 如5/7/5表示5、7和5個標記分別與抽雄期、吐絲期和散粉期顯著關聯(lián)。

Env: environment. BLUP: best linear unbiased prediction. The column of Env. shows the marker number significantly associated with days to tassel, days to anthesis and days to silking. For example, 5/7/5 indicate five, seven and five markers significantly associated with days to tassel, days to anthesis and days to silking, respectively.

圖4 候選基因關聯(lián)分析

A)變異位點與開花期的關聯(lián)及多態(tài)性位點的連鎖不平衡關系。B) 3種單倍型自交系的開花期比較。Hap1為0 + 0單倍型; Hap3為3 bp + 0單倍型; Hap4為3 bp + 2 bp單倍型。DTT為抽雄期; DTS為吐絲期; DTA為散粉期。*< 0.05; **< 0.01.

A) Association of variants atwith maize flowering time in the association panel, and linkage disequilibrium block among variants at. B) Comparison of flowering time between haplotypes. Hap1: 0 + 0 haplotype. Hap3: 3 bp + 0 haplotype. Hap4: 3 bp + 2 bp haplotype. DTT: days to tassel; DTA: days to anthesis; DTA: days to silking. *< 0.05; **< 0.01.

2.4 Zm00001d020683遺傳多樣性及其與開花期的關聯(lián)分析

由于與2個已知的擬南芥開花期相關基因和的序列相似性高, 位于同一個聚類分支中, 推測在玉米中可能行使類似和的生物學功能, 調(diào)控開花期。為此, 進一步分析了與開花期關聯(lián)的功能位點。對該基因2 kb的啟動子和600 bp的基因編碼區(qū)共2.6 kb序列進行了重測序分析, 在172份自交系中, 共鑒定到45個SNP位點和19個Insertion/Deletion (InDel)位點。結合這64個多態(tài)性位點與開花期表型進行關聯(lián)分析, 發(fā)現(xiàn)啟動子區(qū)2個位點分別與抽雄期、吐絲期和散粉期顯著關聯(lián), 其中, ?1456 bp處為一個0/3 bp的InDel, ?999 bp 處為一個0/2 bp的InDel (圖4)。

在172份自交系材料中, 這2個位點位于不同的LD block中, 共組成4種單倍型(haplotype), 即單倍型1 (Hap1) 0 + 0、單倍型2 (Hap2) 0 + 2 bp、單倍型3 (Hap3) 3 bp + 0和單倍型4 (Hap4) 3 bp + 2 bp, 各單倍型所占的比例分別為30.43%、1.45%、48.55%和19.57%。由于 Hap2頻率低小于5%, 不納入單倍型遺傳效應評估。比較不同單倍型自交系的開花期差異發(fā)現(xiàn), 相較于具有Hap3的自交系, 具有Hap4自交系的抽雄期、吐絲期和散粉期分別提前了0.9 d、1.2 d和1.7 d (<0.01); 相較于具有Hap1的自交系, Hap4自交系的抽雄期、吐絲期和散粉期也有顯著的提前(<0.05)。由于Hap4在自交系群體中相對較低的頻率和提早開花的遺傳效應, 表明該等位基因在玉米開花期遺傳改良中具有一定的應用價值。

3 討論

IDD家族基因編碼一類具有鋅指蛋白的轉(zhuǎn)錄因子, 在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮著廣泛作用[28-32]。目前的研究大多集中于模式植物擬南芥IDD基因?qū)﹂_花期的調(diào)控, 而挖掘玉米開花期相關的IDD家族基因具有重要的理論意義和應用價值。本研究鑒定并克隆了37個玉米IDD家族基因, 這些基因都有非常保守的結構域, 推測它們在功能上具相似性。我們發(fā)現(xiàn)玉米和擬南芥IDD家族基因的序列相似性很高, 推測玉米IDD家族基因可能具有擬南芥同源基因的相似功能。另外, 在已經(jīng)克隆的開花期相關基因中, 擬南芥的和水稻中的以及玉米中的都屬于IDD家族基因[22-24,33-34]。我們通過關聯(lián)分析發(fā)現(xiàn), 有7個基因在多個環(huán)境下均能夠檢測到與開花期性狀顯著關聯(lián), 其中一個基因是前人已經(jīng)報道的、控制玉米開花期的關鍵基因[24], 因此我們可以推測其他6個基因也可能參與玉米開花期的調(diào)控。特別是基因, 其啟動子區(qū)存在2個變異位點與開花期顯著關聯(lián)。而生物信息學預測這2個插入缺失位點可導致CGGTGCCCC 順式元件的改變。許多研究發(fā)現(xiàn), CGGTGCCCC順式元件為ABI4(AP2轉(zhuǎn)錄因子的一種)轉(zhuǎn)錄因子直接結合位點, 順式元件的變異則可能導致基因表達改變。因此, 一個可能的假設是, 自交系間基因啟動子的插入缺失變異會導致基因表達水平的變異, 進而導致玉米的開花期變異。調(diào)節(jié)基因的表達水平, 可能改變玉米開花期。這一假設有待進一步研究證實。

通過多類群體和多種方法已鑒定到大量玉米開花期相關的遺傳位點。Buckler等[21]利用NAM (Nested Association Mapping population)群體鑒定到36個DTS QTL、39個DTS QTL和29個ASI QTL以及數(shù)十個微效位點, 比較物理位置發(fā)現(xiàn), 包含在內(nèi)的7個開花期相關基因均位于Buckler等所鑒定到的開花期相關QTL內(nèi)或緊密連鎖。李玉玲等[2]利用玉米自交系丹233和自交系N04構建了F2:3和BC2S2家系群體, 共鑒定到22個與開花期相關聯(lián)的QTL, 分布在玉米10條染色體上。其中, QSS2-1、QBSS3-2、QSS7-1和QBAS10-1分別覆蓋了本研究鑒定到的、、和。Li等[35]利用NAM的BC2S3群體, 共鑒定到19個與開花期相關的QTL, 其中、和分別覆蓋本研究中的、和。Huang等(2012)利用NAM和IBM群體共鑒定到14個與開花期相關的QTL[11], 其中第1、第3、第7和第8染色體上的QTL分別覆蓋、和。這些QTL定位結果間接支持了本研究所鑒定到的開花期相關基因。

IDD基因不僅調(diào)控植物開花期, 也參與植物生長發(fā)育的調(diào)控。在擬南芥中, Welch等[36]發(fā)現(xiàn)IDD轉(zhuǎn)錄因子成員JKD和MGP參與構成SCR-SHR復合體。JKD和MGP在根的干細胞中特異表達, 受和兩個基因的調(diào)控。另外, SGR5在花序莖的內(nèi)皮層表達, 參與調(diào)控擬南芥莖早期的重力反應[37]。因此, 玉米IDD家族基因也有可能調(diào)控除開花期外的其他植物生物過程?；虮磉_模式分析發(fā)現(xiàn), 該家族基因表達具有明顯的組織特異性, 暗示了各自發(fā)揮其功能的組織特異性。因此, 對IDD家族基因的深入研究也將為我們提供更多的植物個體發(fā)育和形態(tài)建成的調(diào)控信息。

4 結論

分析了玉米IDD家族基因的基本特性、遺傳變異及其與玉米開花期的相關性。在B73基因組中鑒定了37個IDD家族基因, 分析了它們的結構特征和表達模式, 鑒定到包括在內(nèi)的7個基因及其自然變異與開花期的關聯(lián)位點, 為這些基因的深入功能解析和育種應用奠定了基礎。

[1] Matsuoka Y, Vigouroux Y, Goodman M M, Sanchez G J, Buckler E, Doebley J. A single domestication for maize shown by multilocus microsatellite genotyping., 2002, 99: 6080–6084.

[2] 李玉玲, 李學慧, 董永彬, 牛素貞, 劉艷陽, 王延召. 利用相同來源F2:3和BC2S1群體定位玉米開花期QTL. 華北農(nóng)學報, 2007, 22: 38–43. Li Y L, Li X H, Dong Y B, Niu S Z, Liu Y L, Wang Y Z. QTL mapping of developmental stages using F2:3and BC2S1populations derived from the same cross in maize., 2007, 22: 38–43 (in Chinese with English abstract).

[3] 蘭進好, 李新海, 高樹仁. 不同生態(tài)環(huán)境下玉米產(chǎn)量性狀QTL分析. 作物學報, 2005, 31: 1253–1259. Lan J H, Li X H, Gao S R. QTL analysis of yield components in maize under different environments., 2005, 31: 1253–1259 (in Chinese with English abstract).

[4] Chardon F, Vklon B, Moreau L, Falque M, Joets J, Decousset L, Murigneux A, Chareosset A. Genetic architecture of flowering time in maize as inferred from quantitative trait loci meta- analysis and synteny conservation with the rice genome., 2004, 168: 2169–2185.

[5] Dong Z, Danilevskaya O, Abadie T, Messina C, Coles N, Cooper M. A gene regulatory network model for ?oral transition of the shoot apex in maize and its dynamic modeling., 2002, 7: e43450.

[6] Meng X, Muszynski M G, Danilevskaya O N. The FT-likegene functions as a floral activator and is involved in photoperiod sensitivity in maize., 2010, 23: 942–960.

[7] Danilevskaya O, Meng X, Ananiev E. Concerted modification of flowering time and inflorescence architecture by ectopic expression ofgenes in maize., 2010, 153: 238–251.

[8] Huang C, Sun H, Xu D, Chen Q, Liang Y, Wang X, Xu G, Tian F.enhances maize adaptation to higher latitudes., 2018, 115: E334–E341.

[9] Ducrocq S, Giauffret C, Madur D, Combes V, Dumas F, Jouanne S, Coubriche D, Jamin P, Moreau L, Charcosset A. Fine mapping and haplotype structure analysis of a major flowering time quantitative trait locus on maize chromosome 10., 2009, 183: 1555–63.

[10] Yang Q, Li Z, Li W, Ku L, Wang C, Ye J, Li K, Yang N, Li Y, Zhong T, Li J, Chen Y, Yan J, Yang X, Xu M. CACTA-like transposable element inattenuated photoperiod sensiti-vity and accelerated the post do mestication spread of maize., 2013, 15: 16969–16974.

[11] Hung H Y, Shannon L M, Tian F, Bradbury P J, Chen C, Flint-Garcia S A, McMullen M D, Ware D, Buckler E S, Doebley J F, Holland J B.and the genetic basis of day-length adaptation underlying the postdomestication spread of maize., 2012, 109: E1913–1921.

[12] Lawit S J, Wych H M, Xu D, Kundu S, Tomes D T. Maize DELLA proteinsandas modulators of plant development., 2010, 51: 1854–1868.

[13] Thornsberry J, Goodman M, Doebley J, Kresovich S, Nielsen D, Buckler E S 4th.polymorphisms associate with variation in flowering time., 2001, 28: 286–289.

[14] Bolduc N, Hake S. The maize transcription factordirectly regulates the gibberellin catabolism gene., 2009, 21: 1647–1658.

[15] Muszynski M, Dam T, Li B, Shirbroun D, Hou Z, Bruggemann E, Archibald R, Ananiev E V, Danilevskaya O N.encodes a basic leucine zipper protein that mediates floral inductive signals at the shoot apex in maize., 2006, 142: 1523–1536.

[16] Salvi S, Sponza G, Morgante M, Tomes D, Niu X, Fengler K A, Meeley R, Ananiev E V, Svitashev S, Bruggemann E, Li B, Hainey C F, Radovic S, Zaina G, Rafalski J A, Tingey S V, Miao G H, Phillips R L, Tuberosa R. Conserved noncoding genomic sequences associated with a flowering-time quantitative trait locus in maize., 2007, 104: 11376–11381.

[17] Castelletti S, Tuberosa R, Pindo M, Salvi S. A MITE transposon insertion is associated with differential methylation at the maize flowering time QTL., 2014, 4: 805–812.

[18] Danilevskaya O, Meng X, Selinger D A, Deschamps S, Hermon P, Vansant G, Gupta R, Ananiev E V, Muszynski M G. Involvement of the MADS-box genein floral induction and inflorescence development in maize., 2008, 147: 2054–2069.

[19] Alter P, Bircheneder S, Zhou L Z, Schlüter U, Gahrtz M, Sonnewald U, Dresselhaus T. Flowering time-regulated genes in maize include the transcription factor., 2016, 172: 389–340.

[20] Liang Y, Liu Q, Wang X, Huang C, Xu G, Hey S, Lin H Y, Li C, Xu D, Wu L, Wang C, Wu W, Xia J, Han X, Lu S, Lai J, Song W, Schnable P S, Tian F.functions as a flowering activator through the-regulatory module and contributes to maize flowering time adaptation., 2018, doi: 10.1111/nph.15512.

[21] Buckler E S, Holland J B, Mcmullen M D, Kresovich S, Acharya C, Bradbury P, Brown P, Browne C J, Eller M S, Ersoz E, Flint Garcia S A, Garcia A, Glaubitz J C, Goodman M, Haries C, Guill K E, Kroon D, Larsson S, Lepak N K, Li H, Mitchell S E, Pressoir G, Peiffer J, Oropeza Rosas M, Rocheford T, Romay C, Romero S, Salvo S A, Sanchez Villeda H, Sun Q, Tian F, Upadyayula N, Ware D, Yates H, Yu J, Zhang Z. The genetic architecture of maize flowering time., 2009, 325: 714–718.

[22] Seo P J, Ryu J, Kang S K, Park C M. Modulation of sugar metabolism by an INDETERMINATE DOMAIN transcription factor contributes to photoperiodic flowering in Arabidopsis., 2011, 65: 418–429.

[23] Wu C, You C, Li C, Long T, Chen G, Byme M E, Zhang Q., encoding a Cys2/His2-type zinc finger transcription factor, acts as a master switch from vegetative to floral development in rice., 2008, 105: 12915–12920.

[24] Wong A Y M, Colasanti J. Maize floral regulator proteinis localized to developing leaves and is not altered by light or the sink/source transition., 2007, 58: 403–414.

[25] 郭安源, 朱其慧, 陳新, 羅靜初. GSDS: 基因結構顯示系統(tǒng). 遺傳, 2007, 29: 1023–1026. Guo A Y, Zhu Q H, Chen X, Luo J C. GSDS: a gene structure display server.(Beijing), 2007, 29: 1023–1026 (in Chinese with English abstract).

[26] Li H, Peng Z, Yang X, Wang W, Fu J, Wang J, Han Y, Chai Y, Guo T, Yang N, Liu J, Warburton M L, Cheng Y, Hao X, Zhang P, Zhao J, Liu Y, Wang G, Li J, Yan J. Genome-wide association study dissects the genetic architecture of oil biosynthesis in maize kernels., 2013, 45: 43–50.

[27] Yang X H, Gao S B, Xu S T, Zhang Z X, Prasanna B M, Li L, Li J S, Yan J B. Characterization of a global germplasm collection and its potential utilization for analysis of complex quantitative traits in maize., 2011, 28: 511–526.

[28] Bland J M, Altman D G. Multiple significance tests: the Bonferroni method., 1995, 310: 170.

[29] Merk H L, Yarnes S C, Van Deynze A. Trait diversity andpotential for selection indices based on variation among regionally adapted processing tomato germplasm., 2012, 137: 427–437.

[30] Takatsuji H. Zinc-finger transcription factors in plants., 1998, 54: 582–596.

[31] 黃驥, 王建飛, 張紅生. 植物C2H2型鋅指蛋白的結構與功能. 遺傳, 2004, 26: 414–418. Huang J, Wang J F, Zhang H S. Structure and function of plant C2H2 zing finger protein.(Beijing), 2004, 26: 414–418 (in Chinese with English abstract).

[32] Frankel A D, Pabo C O. Fingering too many proteins., 1988, 56: 675.

[33] Park S J, Kim S, Lee S, Je B I, Piao H L, Park S H, Kim C M, Ryu C H, Park S H, Xuan Y H, Colasanti J, An G, Han C D. Rice Indeterminate 1 () is necessary for the expression of() regardless of photoperiod., 2008, 56: 1018–1029.

[34] Matsubara K, Yamanouchi U, Wang Z X, Minobe Y, Izawa T, Yano M., a rice ortholog of the maizegene, promotes flowering by up-regulating Ehd1., 2008, 148: 1425–1435.

[35] Li D, Wang X F, Zhang X B, Chen Q Y, Xu G G, Xu D Y, Wang C L, Liang Y M, Wu L S, Huang C, Tian J G, Wu Y Y, Tian F. The genetic architecture of leaf number and its genetic relationship to flowering time in maize., 2012, 210: 256–268.

[36] Welch D, Hassan H, Blilou I, Immink R, Heidstra R. Arabidopsisandzinc finger proteins delimit asymmetric cell division and stabilize tissue boundaries by restricting SHORT-ROOT action., 2007, 21: 2196–2204.

[37] Kim J Y, Ryu J Y, Baek K, Park C M. High temperature attenuates the gravitropism of inflorescence stems by inducingalternative splicing in Arabidopsis., 2016, 209: 265–279.

Identification of indeterminate domain protein family genes associated with flowering time in maize

LI Yun-Fu1,2, WANG Jing-Xian1, DU Yan-Fang1, ZOU Hua-Wen2, and ZHANG Zu-Xin1,*

1National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement / Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, Hubei, China;2College of Agronomy, Yangtze University, Jingzhou 434000, Hubei, China

Flowering time is one of the important factors affecting grain yield in maize (L.).() is a known gene encoding indeterminate domain (IDD) protein which controls flowering time of maize. However, biological functions of the other IDD family genes are little known. In this study, we identified 37 IDD family genes, referred to asby searching conserved IDD domains using bioinformatics strategy, and we then isolated theseby amplifying B73 genome using PCR. Diverse expression patterns of thesewere revealed in eight tissues using B73 transcriptome data deposited in public database MaizeGDB (www.maizeGDB.org). In addition, we found that 35showed abundant genetic diversity with an average of 37.8 polymorphic loci per gene in 172 inbred lines, and sevenincludingwere significantly associated with three flowering time-traits: days to tassel, days to anthesis and days to silking under multiple environments. We resequenced a 2 kb promoter region and 600 bp coding region of, and found 64 variants within 172 inbred lines. Candidate gene association analysis identified that two variants at promoter region were significantly associated with flowering time, and the haplotype composed of 3 bp and 2 bp insertion at the two associated loci showed an effect of shortening flowering time. The results provide a subset of flowering time-related candidate genes for further function assay and genetic improvement of flowering time in maize.

maize (L.); flowering time; indeterminate domain (IDD) protein; association analysis; resequencing

2018-11-01;

2019-01-12;

2019-01-31.

10.3724/SP.J.1006.2019.83068

張祖新, E-mail: zuxinzhang@mail.hzau.edu.cn, Tel: +86 027-87282689

E-mail: 1109704146@qq.com; Tel: +86 027-87282689

本研究由國家自然科學基金項目(31871628)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31871628).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190130.1440.004.html