玉米光周期途徑相關(guān)基因的研究進展

邱貴蘭，李 燕，李紅梅，羅 曦，馬孝玲，何立群，胡美琳，趙后娟，杜 林，吳元奇，唐海濤，

（1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物研究所，四川 成都 610066；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 玉米研究所，四川 成都 611130；3.景洪市種子管理站，云南 景洪 666100；4.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護研究所，四川 成都 610066；5.西雙版納傣族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，云南 景洪 666100；6.西雙版納傣族自治州農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測中心，云南 景洪 666100）

玉米（Zea mays L.）是我國第一大糧食作物，在保障國家糧食安全中占有重要地位[1]。2019年，我國玉米種植面積和總產(chǎn)量達(dá)4 128.4萬hm2和26 077.9萬t，分別占谷物總種植面積和總產(chǎn)量的42.19%和42.49%[2]。隨著我國畜牧業(yè)的發(fā)展，玉米需求量不斷增加，2020年我國玉米進口量高達(dá)1 129.42萬t，2021年我國玉米進口規(guī)模突破進口配額后仍大幅增加[3]。

我國玉米骨干自交系主要來源于美國的蘭卡斯特（Lancaster）、瑞德（Reid）和國內(nèi)的唐四平頭、旅大紅骨。由于骨干自交系的長期使用，我國玉米種質(zhì)資源變得逐漸狹窄。利用熱帶、亞熱帶種質(zhì)改良和拓寬現(xiàn)有種質(zhì)基礎(chǔ)已是世界各國玉米育種者的共識[4]。熱帶、亞熱帶種質(zhì)具有遺傳多樣性廣泛、根系發(fā)達(dá)、莖稈堅韌、抗病、抗倒伏、耐旱等優(yōu)良特性，且多數(shù)與溫帶種質(zhì)具有較強的雜種優(yōu)勢[5]。然而，由于熱帶、亞熱帶種質(zhì)大多具有強烈的光溫敏感性，在我國西北地區(qū)如甘肅、新疆等溫帶地區(qū)直接種植會出現(xiàn)植株高大、抽雄吐絲延遲、花期不遇、生育期延長、空稈率高、結(jié)實性差，甚至有的不能開花結(jié)果等問題。此外，我國西南山區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，氣候多變，在當(dāng)?shù)剡M行種子生產(chǎn)存在制種產(chǎn)量低、制種成本高、種子品質(zhì)較差、制種風(fēng)險較大等問題。而我國西北地區(qū)地勢平坦開闊、土壤肥沃、光熱條件好、晝夜溫差大，適宜玉米生產(chǎn)，也適宜玉米制種。由于我國西南山區(qū)玉米品種大多含有熱帶、亞熱帶血緣，在西北地區(qū)進行制種和種子生產(chǎn)時，需要鈍化其光周期敏感性，提高制種和種子生產(chǎn)的便利性和產(chǎn)量。因此，了解玉米光周期敏感性相關(guān)性狀的遺傳特征、相關(guān)基因的功能對鈍化光周期敏感性具有重要作用。本文主要闡述了玉米光周期敏感性遺傳特征、光周期相關(guān)基因的定位、克隆及功能研究，旨在今后對玉米光周期途徑調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及分子機理研究提供參考。

1 玉米光周期敏感性的遺傳特征

玉米是短日照植物，光周期臨界日照時數(shù)為12～13 h，過長的日照時數(shù)將延遲其開花期；王翠玲等[6]研究發(fā)現(xiàn)，長日照處理會使黃早4和CML288抽雄和散粉推遲，CML288雌穗不能正常發(fā)育，縮短日照時數(shù)將提前開花期。此外，生態(tài)條件、材料來源、生育階段等也會影響玉米光周期敏感性。不同生態(tài)類型的玉米種質(zhì)對長光照敏感程度不同，具體表現(xiàn)為：熱帶玉米＞亞熱帶玉米＞高原玉米＞溫帶玉米；不同材料對光周期的敏感程度不同，同一血緣的種質(zhì)對光周期的敏感程度有差異；熱帶、亞熱帶玉米種質(zhì)群體不同世代對光周期的敏感程度有明顯差異；熱帶、亞熱帶玉米種質(zhì)群體不同性狀對光周期敏感程度不同，表現(xiàn)為：穗位高＞吐絲期＞抽雄期＞散粉期＞株高＞葉片數(shù)[7-10]。

由于光敏感性受眾多因素的影響，不同學(xué)者評價玉米光周期敏感性的指標(biāo)不盡相同，大部分學(xué)者用雌雄穗開花間隔（ASI）吐絲期、抽雄期、散粉期、株高、穗位、葉片數(shù)評價光周期敏感性[11]。

2 玉米光周期敏感相關(guān)基因定位研究

隨著分子標(biāo)記技術(shù)的快速發(fā)展，很多學(xué)者利用SNP、RAPD、AFLP、SSR等標(biāo)記技術(shù)在不同玉米群體中定位了與玉米光周期敏感相關(guān)性狀的多個QTL。

研究者利用不同材料在不同環(huán)境下對玉米抽雄期、吐絲期、株高、穗位高、ASI、散粉期積溫等光周期敏感指數(shù)進行QTL定位，均在第10染色體檢測到玉米光周期敏感性狀相關(guān)基因，并且相關(guān)的主效QTL位于10.04區(qū)域位置的QTL效益最大[12-14]；2009年，DUCROCQ等[15]進一步在10.04目標(biāo)區(qū)域縮小區(qū)域范圍至170 kb的區(qū)域。2012年，HUNG等[16]利用一項基于高密度玉米單倍型圖的全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）、用高分辨率定位技術(shù)，對巢式設(shè)計作圖群體（NAM）的玉米開花時間、光周期響應(yīng)相關(guān)QTL位點進行關(guān)聯(lián)分析，將第10染色體上的一個關(guān)鍵數(shù)量性狀位點（QTL）定位到一個水稻光周期調(diào)控因子Ghd7同源基因ZmCCT上。

3 玉米光周期途徑相關(guān)基因克隆研究進展

高等植物開花包括4個途徑，分別為春化途徑、自主途徑、赤霉素途徑、光周期途徑。光周期途徑是影響植物開花的關(guān)鍵途徑，高等植物的光周期途徑有3個主要成分，分別是光受體、生物鐘與節(jié)律調(diào)節(jié)基因。

3.1 玉米光周期途徑節(jié)律調(diào)節(jié)基因的克隆及功能研究

ZmCCT屬于玉米光周期途徑中的節(jié)律調(diào)節(jié)基因，ZmCCT基因啟動子區(qū)域起始密碼子上游-1 411和-1 520（SNP1411和SNP1520）處2個單堿基改變使ZmCCT基因表達(dá)量出現(xiàn)差異[17]，導(dǎo)致玉米產(chǎn)生光周期敏感性。STEPHENSON等[18]在中性早花玉米系Gaspe′Flint中過度表達(dá)了由不同強度的組成啟動子驅(qū)動的ZmCCT10并對其表型進行分析，發(fā)現(xiàn)ZmCCT10過表達(dá)產(chǎn)生了預(yù)期的晚開花表型。隨著表達(dá)量的增加，營養(yǎng)生長周期顯著延長，形態(tài)發(fā)育缺陷嚴(yán)重。位于第9號染色體上ZmCCT9基因也被HUANG等[19]通過定位克隆和關(guān)聯(lián)作圖鑒定為與ZmCCT10相似的開花控制基因，并發(fā)現(xiàn)在長日照條件下，利用CRISPR/Cas9技術(shù)敲除ZmCCT9導(dǎo)致玉米在長日照下提前開花；Harbinger-like轉(zhuǎn)座因子作為ZmCCT9的阻遏因子促進開花。此外，金敏亮[20]還發(fā)現(xiàn)ZmCOL3作為玉米CCT家族重要成員，可能通過反轉(zhuǎn)錄激活ZmCCT轉(zhuǎn)錄和干擾生物鐘抑制玉米開花。因此，ZmCCT9、ZmCCT10兩者過表達(dá)都將導(dǎo)致玉米晚開花。

conz1、ZCN8基因也是玉米光周期途徑中的節(jié)律調(diào)節(jié)基因（表1）。玉米conz1位于玉米基因組第9條染色體上，conz1及其上游基因GIGZ1a和GIGZ1b表現(xiàn)出與其在擬南芥和水稻中的同源物CO和Hd1相似的晝夜表達(dá)模式，擬南芥中CO蛋白作用于生物鐘和開花控制之間，可將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殚_花信號，長日照條件下，CO通過促進FT基因轉(zhuǎn)錄進而促進開花[21]；而玉米中conz1能夠在長日照和短日照中有著不同的表達(dá)模式，可通過不同的表達(dá)模式感知光周期的差異[22]。conz1調(diào)控玉米開花期的機制以及具體調(diào)控網(wǎng)絡(luò)尚不清楚。

表1 玉米光周期調(diào)控節(jié)律調(diào)節(jié)相關(guān)基因

ZCN8基因是擬南芥FT基因的同源基因，位于玉米染色體組第8條染色體的8.05區(qū)域，是玉米成花基因。ZCN8促進玉米由營養(yǎng)生長向生殖生長發(fā)生轉(zhuǎn)變，在光周期敏感型熱帶玉米中的表達(dá)受光周期的嚴(yán)格調(diào)控。在較少誘導(dǎo)的長日照下，ZCN8的轉(zhuǎn)錄被抑制，玉米延遲開花，ZCN8的表達(dá)也可能通過pre-mRNA剪接來調(diào)控[23-24]。此外，組成性開花激活因子ZmMADS69，通過下調(diào)玉米開花時間的負(fù)調(diào)控因子ZmRap2.7的表達(dá)，緩解ZCN8的抑制，從而提前開花[25]。

3.2 玉米光周期途徑生物鐘相關(guān)基因的克隆及研究

玉米晝夜節(jié)律鐘中央振蕩器的候選基因包括ZmCCA1、ZmLHY、ZmTOC1a、ZmTOC1b、ZmPRR73、ZmPRR37、ZmPRR59、GIGZ1a、GIGZ1b、ZmFKF1a和ZmFKF1b[26]。其中對ZmCCA1和ZmTOC1的詳細(xì)研究證實它們是玉米生物鐘的關(guān)鍵成分。WANG等[27]克隆的ZmCCA1和ZmTOC1與擬南芥中的兩個生物鐘基因（AtCCA1和AtTOC1）具有同源性；ZmCCA1在葉片和幼穗等幼嫩和活性植物組織中高表達(dá)，且ZmCCA1基因的表達(dá)在黎明時達(dá)到峰值，然后開始迅速下降。在短日照條件下，ZmCCA1的高表達(dá)可能促進開花[28]。ZmTOC1基因在胚芽鞘、穗位葉、花絲等組織中高表達(dá)，白天緩慢增加，晚上達(dá)到高峰，這與該基因感受、傳遞光信號，參與調(diào)控開花的功能相關(guān)[27]。

ZmCCA1和ZmTOC1兩者有著密切關(guān)系，ZmTOC1表達(dá)后，ZmCCA1的表達(dá)在隨后的夜晚再次升高，這與擬南芥和水稻中AtCCA1和OsCCA1在夜間抑制AtTOC1和OsTOC1的表達(dá)模式一致[27]。意味著ZmCCA1和ZmTOC1在玉米的生物鐘調(diào)節(jié)中起到了重要作用，并且可能與擬南芥和水稻中AtCCA1和OsCCA1有著相似的功能。

3.3 玉米光周期途徑光敏色素克隆及功能研究

光受體中主要接受光信號的為光敏色素，玉米光敏色素主要有phyA1、phyA2、phyB1、phyB2、phyC1、phyC2。光敏色素所發(fā)揮的功能不盡相同、相互影響，但是它們都在光周期途徑中起著重要作用。其中ZmphyA1、ZmphyA2和ZmphyC1、ZmphyC2均 能 有效地響應(yīng)各種光質(zhì)及光周期處理[29]；ZmphyB1在紅光下顯著抑制中胚軸伸長，ZmphyB2介導(dǎo)了玉米中光周期依賴的開花轉(zhuǎn)變[30]；并且ZmphyCs可以與ZmphyBs互作，ZmphyCs被敲除后很可能通過影響ZmphyBs的功能，使ZmphyBs的功能減弱，繼而促進玉米的開花[31]。還有研究發(fā)現(xiàn)，玉米phyB1與擬南芥phyB，玉米phyC1、phyC2與擬南芥phyC基因功能均具有保守型[29，32]，鑒于此，它們很可能以與擬南芥類似的方式促進玉米在長日照條件下開花，可以參考擬南芥中光敏色素的功能來更加深入地研究玉米光敏色素的功能。

4 展望

將熱帶、亞熱帶玉米種質(zhì)引進溫帶材料中是拓寬玉米種質(zhì)資源的有效方法。在溫帶地區(qū)利用熱帶、亞熱帶玉米種質(zhì)的傳統(tǒng)方法有：將熱帶、亞熱帶種質(zhì)在相似生態(tài)區(qū)直接利用；在過渡區(qū)進行馴化；或是熱帶、亞熱帶種質(zhì)互導(dǎo)后再進行溫?zé)峄?dǎo)，然后再輪回選擇；以及玉米DH育種技術(shù)等。但是這些方法的缺點主要有鈍化光周期需要時間較久、具有不確定因素、鈍化效果不理想等。了解玉米光周期敏感的遺傳特征、掌握光周期途徑調(diào)控網(wǎng)絡(luò)將加快解決玉米光敏性問題。

玉米光周期反應(yīng)是復(fù)雜的數(shù)量性狀。目前，在玉米光周期途徑中存在的主要問題包括：雖然已經(jīng)篩選出一些相關(guān)候選基因，但已獲得功能證實的基因較少；雖然克隆了少量基因，但對這些基因的功能研究還不夠深入?？寺〈罅肯嚓P(guān)基因、研究基因相關(guān)功能、了解基因間的作用方式、各功能基因?qū)ν饨绛h(huán)境信號的響應(yīng)等對構(gòu)建玉米光周期調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有著重要的作用。當(dāng)前擬南芥和水稻的光周期途徑研究較為詳細(xì)，并且隨著基因組測序、轉(zhuǎn)錄組分析、基于CRISPR基因編輯以及互作蛋白的大規(guī)模篩選等探索手段的多樣化發(fā)展[33]，以擬南芥和水稻為參考對照，結(jié)合分子生物技術(shù)研究玉米光周期途徑相關(guān)候選基因，挖掘與擬南芥、水稻同源的新基因，了解基因間互作機制，將有力促進玉米光周期途徑網(wǎng)絡(luò)調(diào)控進程。