玉米ZmHY5 和ZmHY5L 基因的克隆及其轉(zhuǎn)錄豐度對不同光質(zhì)處理的響應(yīng)

姚帥濤，吳文靜，王少瓷，詹為民，劉 通，姜良良，2，楊建平

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/省部共建小麥玉米作物學(xué)國家重點實驗室/作物分子育種國家工程中心，河南 鄭州 450046；2.河南科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

光是植物光合作用的能量來源，調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育中的多個環(huán)節(jié)，如種子萌發(fā)、幼苗生長、莖葉伸長、避蔭反應(yīng)、開花結(jié)實等[1-2]。植物體內(nèi)包含多種光受體，其能夠感知不同波長的光，如光敏色素（Phytochrome，PHY）感知紅光（600～700 nm）和遠(yuǎn)紅光（700～750 nm），隱花色素（Cryptochrome，CRY）和向光素（Phototropin，PHOT）感知藍光（400～500 nm），UVR8（UV resistance locus 8）感 知 紫 外 光（290～400 nm）[3-7]。這些光受體將感知到的光信號轉(zhuǎn)化為植物信號調(diào)控下游基因的表達，進而調(diào)控植物的生長和發(fā)育[8-10]。

HY5（Elongated hypocotyl 5）是調(diào)控光形態(tài)建成轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的中心樞紐[11]。HY5屬于堿性亮氨酸拉鏈（Basic leucine zipper,bZIP）轉(zhuǎn)錄因子家族，其二級結(jié)構(gòu)由氨基端結(jié)構(gòu)域和包含卷曲螺旋的LZ 結(jié)構(gòu)域的羧基端結(jié)構(gòu)域組成[11]；其由168 個氨基酸組成，分子質(zhì)量為18.5 ku。HY5 通過直接結(jié)合靶標(biāo)基因啟動子上的G-box 元件來調(diào)節(jié)靶標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄[12-14]。研究表明，HY5 能調(diào)節(jié)擬南芥（Arabidopsis thaliana）約33%基因的表達，可以直接組合調(diào)控約3 000 個基因[13，15]。HY5 的靶標(biāo)基因包括光響應(yīng)基因，如COP1（Constitutive photomorphogenic 1）、FHY1（Far-red elongated hypocotyl 1）、CAB1（Light-harvesting chlorophyll A/B 1）、HFR1（Long hypocotyl in far-red 1）、BBX22（B-box domain protein 22），晝夜節(jié)律時鐘調(diào)節(jié)基因，如ELF4（Early flowering 4）、LHY（Late elongated hypocotyl）、CCA1（Circadian clock associated 1）[3，13，16-20]。

HY5 是光形態(tài)建成過程中重要的轉(zhuǎn)錄因子，但在黑暗時會被降解而失去功能。HY5 通過與COP1的WD-40 結(jié)構(gòu)域互作，被泛素化后再被26S 蛋白酶體降解[12，21]。SPAs（Suppressor of phytochromes）可通過與COP1 互作促進HY5 降解[22]。此外，光形態(tài)建成負(fù)調(diào)控因子SHW1（Short hypocotyl in white light 1）作用于COP1 促進HY5 降解[23]。在植物體內(nèi)HY5 存在磷酸化和非磷酸化2種形式，COP1與非磷酸化形式HY5 的互作能力強于磷酸化形式HY5[24]。因此，在黑暗中磷酸化的HY5形態(tài)可以作為一個能量池，轉(zhuǎn)向光的進程中可以快速轉(zhuǎn)向非磷酸化，為幼苗光形態(tài)建成提供營養(yǎng)[25]。HY5 除了參與光形態(tài)建成外，還參與種子萌發(fā)、抗逆、花青素合成和果實品質(zhì)形成等過程，例如：光作為一種重要的外源信號，可以 影 響 種 子 中 的 ABA（Abscisic acid）/GA（Gibberellin acid）平 衡 ，通 過 HY5-ABI5（ABA-insensitive 5）途徑抑制擬南芥種子萌發(fā)[26]。在擬南芥中，光觸發(fā)HY5 積累，在土壤生長條件下積極調(diào)節(jié)根系生長和發(fā)育[27-28]。低溫促進磷酸化藍光感受器CRY2 蛋白穩(wěn)定，進而抑制COP1 與HY5的相互作用，HY5 得以大量積累并激活BBX7 和BBX8 的表達，進而調(diào)節(jié)冷響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄，提高擬南芥的冷凍耐受性[9]。在蘋果中，MdHY5 與MdBBX22 相互作用促進花青素生物合成基因的表達[29]。HY5 在番茄苗期影響弱光導(dǎo)致的徒長，在果實中促進大量代謝物的合成和積累，進而影響番茄果實品質(zhì)[30]。在擬南芥中，通過異源表達ZmHY5基因，可以恢復(fù)擬南芥hy5突變體的表型[31]。目前，關(guān)于擬南芥HY5 基因的功能研究較多[9，11，13，15-28]，但玉米（Zea mays）HY5 基因功能研究很少[31]，尚未見關(guān)于ZmHY5基因?qū)Σ煌赓|(zhì)的響應(yīng)研究。為此，克隆ZmHY5和ZmHY5L基因，并對其在不同部位、持續(xù)光照、轉(zhuǎn)換光及長短日照處理下的表達量進行分析，確定ZmHY5和ZmHY5L基因響應(yīng)光處理的能力，為利用光信號途徑進行玉米品種改良提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試玉米材料為自交系B73，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院李海博老師惠贈，本實驗室保存繁育。供試克隆載體pEASY 購自北京全式金生物技術(shù)有限公司，大腸桿菌菌株為DH5α。

RNA 提 取 試 劑 盒FastPure?Universal Plant Total RNA Isolation Kit 和反轉(zhuǎn)錄試劑盒HiScript?ⅢRT SuperMix for qPCR（+gDNA wiper）購自南京諾唯贊生物科技股份有限公司；熒光定量試劑盒PerfectStart Green qPCR SuperMix 購自北京全式金生物技術(shù)有限公司；2×FastTaqPremix購自吐露港生物科技有限公司。

1.2 樣品處理及采集

1.2.1 組織特異性表達樣品采集 取田間正常生長55 d 玉米的根、莖、葉、葉枕、葉鞘、花絲、雄花、苞葉和幼穗，迅速置于液氮中，轉(zhuǎn)移到-80 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 持續(xù)光質(zhì)處理 將玉米種子滅菌后置于培養(yǎng)皿中培養(yǎng)2 d，選取長勢均勻的種子種于營養(yǎng)土中，每盆均勻點播4 粒。然后放在持續(xù)黑暗（Dark，Dk）、遠(yuǎn)紅光[Far-red light，F(xiàn)R：0.44 μmol/（m2s）]、紅光[Red light，R：22.84 μmol/（m2s）]、藍光[Blue light，B：12.74 μmol/（m2s）]和白光[While light，W：17.56 μmol/（m2s）]培養(yǎng)箱中（28 ℃），培養(yǎng)8 d 后對幼苗葉片進行取樣保存，方法同1.2.1。

1.2.3 黑暗轉(zhuǎn)換不同光質(zhì)處理 將28 ℃培養(yǎng)箱中黑暗生長8 d的玉米分別轉(zhuǎn)到1.2.2中各種光質(zhì)下生長，分別在轉(zhuǎn)換后0.25、0.5、1、2、4、8、12、24 h 取幼苗葉片，方法同1.2.1。

1.2.4 長日照和短日照處理 28 ℃條件下將玉米播種后放置于長日照（Long day，LD：16 h光照/8 h黑暗）和短日照（Short day，SD：8 h 光照/16 h 黑暗）培養(yǎng)箱中，8 d 后每隔2 h 取一次幼苗葉片，光照交替時提前3 min取樣，方法同1.2.1。

1.3 試驗方法

1.3.1 RNA 提 取 和cDNA 合 成 使 用FastPure?Universal Plant Total RNA Isolation Kit 提取樣品的總RNA，檢測質(zhì)量合格后使用反轉(zhuǎn)錄試劑盒HiScript?ⅢRT SuperMix for qPCR（+gDNA wiper）將RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA，保存于-20 ℃冰箱備用。

1.3.2ZmHY5和ZmHY5L基因的克隆 根據(jù)擬南芥HY5蛋白序列在MaizeGDB（https://www.maizegdb.org/）數(shù)據(jù)庫中經(jīng)BLAST得到玉米2個HY5同源基因HY5（Zm00001d015743）和HY5L（Zm00001d039658），以上述2 個基因的cDNA 序列設(shè)計引物（表1），以玉米cDNA為模板，經(jīng)PCR擴增后連接到pEASY，轉(zhuǎn)入DH5α，經(jīng)菌落PCR 和雙酶切鑒定正確后，由北京擎科生物科技有限公司測序。PCR 擴增程序：95 ℃3 min；95 ℃30 s，57 ℃30 s，72 ℃45 s，32 個循環(huán)；72 ℃5 min；15 ℃5 min。

表1 基因克隆所用引物Tab.1 Primers for genes cloning

1.3.3 ZmHY5和ZmHY5L的氨基酸序列比對、結(jié)構(gòu)域分析與系統(tǒng)發(fā)育分析 在NCBI 數(shù)據(jù)庫（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/）獲 得 玉 米、谷 子（Setaria italica）、高粱（Sorghum bicolor）、南荻（Miscanthus lutarioriparius）、糜 子（Panicum hallii）、柳 枝 稷（Panicum virgatum）、野生稻（Oryza brachyantha）、擬南芥和毛白楊（Populus tomentosa）HY5 的氨基酸序列。使用ExPASy ProtParam 網(wǎng)站（https://web.expasy.org/protparam/）分析蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量和等電點等理化性質(zhì)。用MEGA 及Evolview（www.evolgenius.info/evolview）網(wǎng)站進行系統(tǒng)發(fā)育分析，分別使用DNAMAN 9 軟件和Pfam（http://pfam.xfam.org/）網(wǎng)站進行氨基酸多序列比對和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域分析[32]。

1.3.4ZmHY5和ZmHY5L基因的實時熒光定量PCR（qRT-PCR）分析 依據(jù)ZmHY5和ZmHY5L基因序列，使用Primer Premier 5.0 軟件設(shè)計qRT-PCR引物（表2），內(nèi)參基因為Tubulin（Zm00001d013367）。使用PerfectStart Green qPCR SuperMix 在Roche 480熒光定量PCR 儀（瑞士）上進行qRT-PCR 擴增。PCR 程 序：94 ℃30 s；94 ℃5 s，60 ℃15 s，72 ℃15 s，循環(huán)次數(shù)為45次。3次重復(fù)后，根據(jù)2-ΔΔCT方法計算表達量[33]。

2 結(jié)果與分析

2.1 ZmHY5和ZmHY5L基因的克隆

根 據(jù)MaizeGDB 中HY5（Zm00001d015743）和HY5L（Zm00001d039658）基因的cDNA 序列設(shè)計引物，以玉米cDNA 為模板，通過RT-PCR 擴增得到約510 bp 和576 bp 的DNA 片段（圖1），與預(yù)計目的片段長度一致。將目的片段回收測序，發(fā)現(xiàn)序列結(jié)果與MaizeGDB 網(wǎng) 站 中HY5（Zm00001d015743）和HY5L（Zm00001d039658）基因的cDNA序列一致。

圖1 ZmHY5和ZmHY5L基因的PCR擴增結(jié)果Fig.1 PCR amplification results of ZmHY5 and ZmHY5L genes

2.2 ZmHY5和ZmHY5L的進化分析及與其他植物HY5蛋白的結(jié)構(gòu)域和同源性比較

本試驗通過測序發(fā)現(xiàn)，玉米ZmHY5、ZmHY5L基因CDS 序列分別為510、576 bp，分別編碼169、191個氨基酸，等電點分別為9.89、10.03，蛋白質(zhì)分子質(zhì)量分別為18.7、20.2 ku。在NCBI 網(wǎng)站獲得玉米、谷子、高粱、南荻和擬南芥等HY5 蛋白序列并進行系統(tǒng)發(fā)育分析。結(jié)果（圖2）顯示，玉米ZmHY5 與高粱、南荻、谷子等禾本科植物的HY5親緣關(guān)系更近，與糜子、柳枝稷等禾本科植物的HY5 親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，ZmHY5L 與其他物種HY5 親緣關(guān)系比較遠(yuǎn)，而ZmHY5L 和AtHYH 類似，都表現(xiàn)出特殊的進化方式。

圖2 玉米與其他植物HY5蛋白的系統(tǒng)發(fā)育分析Fig.2 Phylogenetic analysis of HY5 proteins in maize and other plants

對玉米、谷子、南荻、高粱和擬南芥HY5氨基酸序列進行比對，結(jié)果表明，ZmHY5與高粱、南荻和谷子HY5 序列一致性為73.15%、71.76%和70.83%，ZmHY5L 與高粱、南荻和谷子HY5 序列一致性為43.98%、43.06%和43.98%。通過Pfam 網(wǎng)站發(fā)現(xiàn)，玉米、谷子、南荻、高粱和擬南芥HY5都包含bZIP結(jié)構(gòu)域，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上是保守的（圖3）。表明植物HY5 蛋白具有相似的序列和相同的結(jié)構(gòu)域，意味著HY5蛋白在不同植物中可能擁有類似的功能。

圖3 玉米與其他植物HY5蛋白的氨基酸序列比對和結(jié)構(gòu)域分析Fig.3 Sequence alignment of amino acids and analysis of function domains of HY5 proteins in maize and other plants

2.3 ZmHY5和ZmHY5L基因的組織特異性表達分析

為探究ZmHY5和ZmHY5L基因在玉米生長發(fā)育中所起的作用，對ZmHY5和ZmHY5L基因在玉米的根、莖、葉、葉枕、葉鞘、花絲、雄花、苞葉和幼穗中的表達水平進行定量分析。結(jié)果（圖4）表明，ZmHY5和ZmHY5L基因在苞葉中的表達量最低，在幼穗、根中的表達量較低；在葉片中的表達量最高，在葉枕中的表達量較高。其中，ZmHY5基因在莖、葉鞘、花絲中的表達量相近，分別為參照（根ZmHY5基因表達量）的10.24、8.37、11.67 倍，在雄花中的表達量為參照的3.87倍。同樣的，ZmHY5L基因在莖、葉鞘中的表達量也相近，分別為參照的1.79、1.24倍，在雄花、花絲的表達量分別為參照的0.20、0.70 倍。另外，ZmHY5基因表達量明顯高于ZmHY5L基因。綜上，ZmHY5和ZmHY5L基因都在玉米葉片和葉枕中表達量較高，且ZmHY5基因表達量明顯高于ZmHY5L基因，推測ZmHY5基因可能參與玉米的光合作用過程。

圖4 ZmHY5和ZmHY5L基因在玉米不同組織中的表達量分析Fig.4 Relative expression levels of ZmHY5 and ZmHY5L genes in different tissues of maize

2.4 ZmHY5和ZmHY5L基因?qū)Σ煌赓|(zhì)處理的響應(yīng)

2.4.1ZmHY5和ZmHY5L基因?qū)Σ煌掷m(xù)光質(zhì)處理的響應(yīng) 為了研究ZmHY5和ZmHY5L基因?qū)Σ煌掷m(xù)光質(zhì)的響應(yīng)，分析ZmHY5和ZmHY5L基因在持續(xù)黑暗、白光、藍光、遠(yuǎn)紅光和紅光條件下的表達水平。結(jié)果（圖5）表明，ZmHY5和ZmHY5L基因在黑暗中的表達量較低，故以ZmHY5基因在黑暗中的表達量為參照。ZmHY5基因在持續(xù)藍光下的表達量最高，其次為遠(yuǎn)紅光下的表達量，分別為參照的19.75 倍和4.64 倍；在紅光和白光下的表達量為參照的1.62 倍和2.08 倍。在黑暗條件下，ZmHY5L基因的表達量為參照的1.01 倍，其在藍光、遠(yuǎn)紅光、紅光及白光下的表達量分別為參照的11%、30%、4.4%、3.8%，均低于相同條件下ZmHY5基因的表達量。綜上，ZmHY5基因?qū)Σ煌掷m(xù)光質(zhì)處理均有很強的響應(yīng)，這與擬南芥HY5基因[8]在持續(xù)黑暗和藍光條件下的表達量相似，但ZmHY5L基因在持續(xù)光質(zhì)下表達量均較低。ZmHY5和ZmHY5L基因在不同持續(xù)光質(zhì)下均有響應(yīng)，推測ZmHY5和ZmHY5L基因可能參與玉米的光形態(tài)建成。

圖5 ZmHY5和ZmHY5L基因在不同持續(xù)光質(zhì)下的表達量Fig.5 Relative expression levels of ZmHY5 and ZmHY5L genes under different continuous light condition

2.4.2ZmHY5和ZmHY5L基因?qū)诎缔D(zhuǎn)到不同光質(zhì)的響應(yīng) 由圖6 可知，以黑暗條件下ZmHY5基因的表達量為參照，在黑暗條件下，ZmHY5L基因的表達量為參照的0.99倍。

圖6 ZmHY5和ZmHY5L基因在黑暗轉(zhuǎn)換到不同光質(zhì)下的表達量分析Fig.6 Relative expression levels of ZmHY5 and ZmHY5L genes during darkness to different light conditions

由圖6A 可知，在黑暗轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)紅光0.5 h 時，ZmHY5基因的表達量達到首個峰值，是參照的2.6倍；隨后在1～8 h 表達量持續(xù)下降，在8 h 時表達量最低，僅為參照的0.87 倍；在12 h 時表達量達到最大值，為參照的5.36 倍；在24 h 時降到參照的0.96倍。ZmHY5L基因在4 h表達量達到最大值，為參照的2.94倍，晚于ZmHY5基因表達量達到首個峰值的時間；在8 h 時降至參照的0.71 倍，隨后持續(xù)上升；在12 h時表達量達到第2個峰值，為參照的1.54倍；之后持續(xù)下降，24 h 時表達量僅為參照的0.82 倍。表明由黑暗轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)紅光后，ZmHY5基因響應(yīng)較強烈。

由圖6B 可知，從黑暗轉(zhuǎn)向紅光后，ZmHY5基因表達量持續(xù)上升，在1 h 時達到最大值，為參照的7.03 倍；隨后持續(xù)下降，在4 h 時表達量僅為參照的0.96 倍；在4～12 h 表達量逐漸上升，在12 h 時達到第2個峰值，為參照的3.62倍；在24 h時降至參照的1.69 倍。ZmHY5L基因在0.25 h 時達到第1 個峰值，為參照的2.30 倍，在0.5 h 時降至參照的1.76 倍；隨后在1 h 時升至最大值，為參照的3.82 倍；之后逐漸下降，在4 h 時僅為參照的0.25 倍；在4～24 h 時逐步上升，在24 h 時表達量為參照的1.12 倍。表明由黑暗轉(zhuǎn)到紅光后，ZmHY5L基因響應(yīng)更迅速，但ZmHY5基因響應(yīng)更強烈。

由圖6C 可知，在黑暗轉(zhuǎn)向藍光后，ZmHY5基因表達量在0.5 h時達到最高值，為參照的27.92倍；在1 h 時有所回調(diào)，為參照的17.08 倍；隨后在2 h 時達到第2個峰值，上升至參照的23.01倍；在2～24 h時，表達量緩慢下降，在24 h 時僅為參照的0.14 倍。ZmHY5L基因在0.25 h 時表達量達到最大值，為參照的5.17 倍；在0.5～8 h 逐步下降至參照的0.32 倍，在8～12 h 表達量緩慢上升到第2 個峰值，為參照水平的0.87 倍；在24 h 時降至參照的0.78 倍，但為同時期ZmHY5基因的5.57倍。

由圖6D 可知，從黑暗轉(zhuǎn)到白光后，ZmHY5基因表達量在2 h 時達到最大值，為參照的41.21 倍；隨后急劇下降，在8 h 時僅為參照的1.70 倍；在12 h 時達到第2個峰值，回調(diào)至參照水平的9.36倍；之后緩慢下降，在24 h 時為參照的3.06 倍。ZmHY5L基因在1 h 時達到最大值，為參照的5.96 倍；在1～8 h 時逐步下降至參照的0.25 倍；在8～24 h 緩慢上調(diào)，在24 h時達到第2個峰值，為參照的3.59倍。

通過不同光質(zhì)轉(zhuǎn)換比較分析發(fā)現(xiàn)，玉米HY5 基因?qū)λ{光和白光響應(yīng)比較強烈，ZmHY5基因比ZmHY5L基因響應(yīng)程度更強烈。

2.4.3ZmHY5和ZmHY5L基因?qū)庵芷诘捻憫?yīng)

為研究ZmHY5和ZmHY5L基因?qū)庵芷诘捻憫?yīng)能力，分析了ZmHY5和ZmHY5L基因在長、短日照下的表達量，以ZmHY5基因在黑暗轉(zhuǎn)光照的臨界期的表達量為參照。

由圖7A 可知，在長日照條件下，ZmHY5基因在由黑暗轉(zhuǎn)到光照時，達到最大表達量；轉(zhuǎn)到光照后6 h 時，表達量急劇下降，為參照的0.08 倍；隨后2 h內(nèi)其表達量小幅度回調(diào)；在8～14 h 時表達量為平緩狀態(tài)；由光照轉(zhuǎn)入黑暗2 h 后，表達量大幅度下調(diào)，為參照的0.3%；在18～20 h時，表達量逐步升高至參照的0.14 倍；在20～22 h 時，表達量小幅度回調(diào)；在22～24 h 時，ZmHY5基因表達量逐步上升達到最大值。ZmHY5L基因和ZmHY5基因一樣，在由黑暗轉(zhuǎn)到光照時，達到最大表達量，在0～6 h 逐漸下降，在6～8 h 有所回調(diào)，8～18 h 表達量持續(xù)下降到最低水平，在18～24 h 表達量逐步上調(diào)到參照水平。表明在長日照條件下，ZmHY5基因?qū)庵芷诘捻憫?yīng)明顯強于ZmHY5L基因。

圖7 光周期處理下ZmHY5和ZmHY5L基因的表達量Fig.7 Relative expression levels of ZmHY5 and ZmHY5L genes under photoperiodic treatment

由圖7B 可知，在短日照條件下，ZmHY5和ZmHY5L基因的表達模式相似。ZmHY5基因在進入光照階段后，0～8 h 表達量持續(xù)下降；在進入黑暗時，8～18 h 表達量緩慢上漲；在18～20 h 時表達量下調(diào)；在22 h 時，表達量達到最大值，為20 h 時表達量的12.23 倍。ZmHY5L基因在轉(zhuǎn)入光照2 h 時，表達量下調(diào)至參照的33%；在2～6 h 時表達量緩慢上升至參照的0.53 倍；在6～8 h，表達量快速下降至6 h時的16%；8～20 h，ZmHY5L基因的表達量基本處于平穩(wěn)狀態(tài)；但在22 h 時的表達量是20 h 時的10.45倍，達到最大值。短日照條件下，ZmHY5和ZmHY5L基因均在黑暗即將轉(zhuǎn)光照時表達量有大幅度調(diào)整，但ZmHY5基因更加活躍，說明ZmHY5基因在短日照條件下發(fā)揮重要作用。

3 結(jié)論與討論

擬南芥HY5是bZIP類型的轉(zhuǎn)錄因子，是組成型核定位蛋白[34]。而玉米HY5 也定位于核內(nèi)，包含bZIP保守結(jié)構(gòu)域，與擬南芥HY5的氨基酸序列具有相似性[31]。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，玉米與高粱、南荻、谷子等禾本科植物的親緣關(guān)系較近，說明HY5基因在進化上是保守的，其編碼蛋白質(zhì)序列和保守結(jié)構(gòu)域與擬南芥高度一致，意味著它們可能擁有類似的功能。研究表明，擬南芥hy5突變體在不同的光照條件下顯示出比野生型擬南芥更長的下胚軸，將ZmHY5基因轉(zhuǎn)入擬南芥hy5突變體中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因株系在各種光質(zhì)下均與野生型幼苗無明顯差異，說明過表達ZmHY5基因可以恢復(fù)擬南芥hy5突變體的表型[31]，推測兩者可能具有相似功能。據(jù)報道，藍光增強了高粱CRY1a和COP1的互作，抑制了COP1對HY5的降解，從而促使HY5蛋白穩(wěn)定和高粱的光形態(tài)建成[35]。

與擬南芥AtHY5基因和粳稻（Oryza sativa）日本晴OsbZIP18（Basic leucine zipper 18）基因相比，玉米ZmHY5基因組織特異性表達更明顯。粳稻日本晴OsbZIP18基因在不同組織中均有表達，除在開花期的葉片中表達量較高外，在其他器官中的表達量均較低，擬南芥AtHY5基因在幼苗期的子葉、下胚軸、根中表達量差異也不大[34，36]。此外，大豆中HY5同源基因有4 個，分別命名為STF1（Soybean TGACG-motif binding factor 1）—STF4。其中，STF3和STF4基因在葉中表達量明顯高于根，與玉米ZmHY5基因相似，并且STF3和STF4基因在葉中受光誘導(dǎo)表達后會轉(zhuǎn)移至根中調(diào)節(jié)根瘤菌的形成，進而發(fā)揮功能[37]。ZmHY5和ZmHY5L基因在葉中表達量最高，其次是葉枕，在根、幼穗、苞葉中表達量較低。除了根外，在玉米不同組織中，ZmHY5L基因表達量絕大部分都低于ZmHY5基因，推測ZmHY5基因發(fā)揮的作用更強。ZmHY5基因與STF3、STF4基因在葉中的表達量均明顯高于根，ZmHY5是否在葉中合成轉(zhuǎn)移至根中發(fā)揮功能有待探究。

前人研究結(jié)果表明，玉米ZmHY5基因在持續(xù)白光條件下表達量高于黑暗條件，且從黑暗條件轉(zhuǎn)至白光條件下6 h 時表達量顯著上升，ZmHY5基因的表達受到白光的誘導(dǎo)[31]，與本研究結(jié)果相符。本研究也進一步細(xì)致研究了從黑暗轉(zhuǎn)到白光時，ZmHY5基因表達量首次達到峰值是在2 h 左右，隨后下降至相對平穩(wěn)狀態(tài)，說明ZmHY5基因?qū)诎缔D(zhuǎn)到白光的反應(yīng)靈敏。另外，本研究深入探究了ZmHY5基因在不同光質(zhì)條件下的表達模式，無論在持續(xù)光條件下還是在轉(zhuǎn)換光條件下，ZmHY5基因在藍光下的表達量都明顯高于遠(yuǎn)紅光和紅光，推斷藍光對ZmHY5基因的誘導(dǎo)表達具有主要作用。ZmHY5和ZmHY5L基因在長短日照條件下的表達量有差異，ZmHY5L基因在長日照的黑暗過程中響應(yīng)能力更強，而ZmHY5基因在短日照的黑暗過程中響應(yīng)能力更強，ZmHY5和ZmHY5L基因在長日照和短日照條件下的響應(yīng)程度不同。這意味著ZmHY5和ZmHY5L基因可能存在功能差異，但它們對長日照和短日照均有響應(yīng)，可能對玉米的開花期有所影響，還需要進一步探究。

在擬南芥中，HY5 與TZP（Tandem zinc-finger/plus 3）啟動子的G-box 連結(jié)，TZP基因的表達在遠(yuǎn)紅光下被激發(fā)，然后與HY5 競爭結(jié)合COP1，使HY5蛋白更穩(wěn)定，進而促進植物光形態(tài)建成[38]。藍光激活的CRY1 與AGB1（Arabidopsisgβ1）競爭HY5 的結(jié)合，從而導(dǎo)致HY5在促進光形態(tài)發(fā)生方面的生化活性增強[39]。在藍光條件下，CRY1 能通過與SWC6（Swi2/snf2-related 1 chromatin remodeling complex 6）和ARP6（Actin-related protein 6）的相互作用，促進H2A.Z 在HY5 靶基因（促進下胚軸伸長）上的染色質(zhì)上的沉積，抑制靶基因的表達，從而促進光形態(tài)建成過程[40]。本研究中ZmHY5和ZmHY5L基因均能響應(yīng)遠(yuǎn)紅光和藍光處理，推測ZmHY5可能參與玉米的光形態(tài)建成，但ZmHY5如何起作用，是否有其他相關(guān)因子參與到此過程中還有待研究。

在玉米育種過程中，遇到極端天氣時，玉米極容易倒伏折斷，一旦倒伏勢必會影響育種進程及產(chǎn)量。玉米倒伏受到多方面影響，與種植密度具有極大關(guān)系，玉米高密度種植時，株高增加，莖稈纖細(xì)，根系不發(fā)達，進而易倒伏。擬南芥HY5降低質(zhì)膜中生長素轉(zhuǎn)運蛋白PIN3（Pin-formed 3）和LAX3（Like-auxin 3）的豐度，以抑制避蔭條件下根系的橫向生長[41]。HY5 在紅光和藍光條件下穩(wěn)定存在，并轉(zhuǎn)移至根部激活miR163 以促進初級根系生長[42-43]。如果玉米的根系長得完整且龐大，面對極端天氣時就不易倒伏，進而提高玉米產(chǎn)量。本試驗中ZmHY5和ZmHY5L基因可以對各種光處理有所響應(yīng)，可能對玉米光形態(tài)建成有影響，從而對玉米的根系進行調(diào)控。因此，ZmHY5和ZmHY5L基因的功能研究可能對具有發(fā)達根系的玉米品種繁育具有重要作用。

玉米HY5與南荻、高粱、谷子、擬南芥HY5具有相似的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，均包含bZIP 結(jié)構(gòu)域。ZmHY5和ZmHY5L基因在根中的表達量顯著低于葉片，均能強烈響應(yīng)遠(yuǎn)紅光、紅光、藍光和白光處理，且ZmHY5基因的響應(yīng)水平高于ZmHY5L基因，在黑暗轉(zhuǎn)白光時的響應(yīng)更明顯。在長短日照處理中，ZmHY5L基因在長日照條件下的黑暗階段響應(yīng)能力更強，而ZmHY5基因在短日照條件下的黑暗階段響應(yīng)能力更強。暗示ZmHY5和ZmHY5L基因參與玉米光形態(tài)建成及花期調(diào)控，但存在功能冗余和差異。這些結(jié)果為ZmHY5和ZmHY5L基因在玉米品種改良中的應(yīng)用提供了依據(jù)。