光周期影響玉米開花轉(zhuǎn)換的機(jī)理研究.pdf

1、熱帶、亞熱帶玉米種質(zhì)具有豐富的遺傳變異，是拓寬我國(guó)玉米種質(zhì)遺傳基礎(chǔ)，提升育種水平的有效途徑。然而，玉米的光周期反應(yīng)是利用熱帶、亞熱帶種質(zhì)的主要障礙。本研究以熱帶玉米自交系CML288和溫帶自交系黃早4為材料，采用長(zhǎng)短日照相互挪移和激光掃描共聚焦顯微鏡觀察等方法，研究了玉米光周期敏感時(shí)期及其對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育的影響，并在此基礎(chǔ)上采用同源克隆等方法成功克隆與光周期反應(yīng)和花發(fā)育相關(guān)的9個(gè)基因，分析這些基因在不同光周期條件下的表達(dá)規(guī)律，初步探討了光周期

2、敏感性和開花轉(zhuǎn)換的分子機(jī)理。主要研究結(jié)果如下： 1.將玉米的頂端分生組織形態(tài)、葉片數(shù)和生育期指標(biāo)相結(jié)合，提出了研究玉米光周期敏感時(shí)期的方法，將玉米雄穗的光周期敏感時(shí)期分為光周期成花誘導(dǎo)期和早期花發(fā)育的敏感期。結(jié)果顯示，在短日照條件下，熱帶自交系CML288的光周期成花誘導(dǎo)期和早期花發(fā)育的敏感期分別在第4～7片展開葉和第6～9片展開葉之間；溫帶自交系黃早4雄穗的光周期成花誘導(dǎo)期和早期花發(fā)育的敏感期分別在第4～6片展開葉和第6～8片

3、展開葉之間。在長(zhǎng)日照條件下，CML288雄穗的光周期誘導(dǎo)期和早期花發(fā)育的敏感期分別在4～14片展開葉和第14～22片展開葉之間；黃早4雄穗的光周期誘導(dǎo)期和早期花發(fā)育的敏感期分別在第4～8片展開葉和第8～11片展開葉之間。 2.將玉米的葉片數(shù)、吐絲期和ASI值相結(jié)合，提出了研究玉米雌穗光周期敏感期的方法，確定了玉米雌穗的光周期敏感期。結(jié)果顯示，在短日照條件下，黃早4和CML288雌穗的光周期敏感期分別在第5片展開葉展開的第2天到第

4、9片葉展開的第3天，第6片展開葉展開的第2天到第10片葉展開的第3天；在長(zhǎng)日照條件下，黃早4和CML288雌穗的光周期敏感期分別在第8～12片展開葉和第14～18片展開葉之間。 3.光周期不僅影響玉米的成花誘導(dǎo)，同時(shí)還影響玉米雌雄穗的發(fā)育。兩個(gè)自交系長(zhǎng)日照條件的雄穗長(zhǎng)度及雄穗分枝數(shù)要明顯長(zhǎng)于或多于短日照條件。在雄穗早期發(fā)育的光周期敏感期，長(zhǎng)短日照相互挪移會(huì)造成雄穗分枝數(shù)和雄穗長(zhǎng)度發(fā)生變化，而其它時(shí)期不會(huì)發(fā)生變化。熱帶自交系CML

5、288從長(zhǎng)日照向短日照挪移，第14片葉到19片葉之間的雌穗發(fā)育，表現(xiàn)出從發(fā)育完全正常到不發(fā)育的一個(gè)漸變過程，19片葉后雌穗不能發(fā)育。反之，從短日照移到長(zhǎng)日照，第8片葉到12片葉之間的雌穗發(fā)育，表現(xiàn)出從不發(fā)育到發(fā)育完全正常的漸變過程，8片葉之前挪移雌穗也不能發(fā)育。 4.采用同源克隆和RACE結(jié)合的方法，從兩個(gè)自交系中分別克隆出了ZmGI、ZmHd1、ZmFT1 （ZCN8）、ZmFT2 （ZCN18）、ZmTFL1（ZCN1）、Z

6、mTFL3 （ZCN3）、ZmFD（ZmDLF1）、ZmLFY（ZFL）、ZmAP1（ZAP1）等9個(gè)基因的cDNA和gDNA序列。序列分析結(jié)果顯示，在短日照和長(zhǎng)日照植物中，光周期調(diào)控開花和花發(fā)育的遺傳途徑具有保守性，遺傳途徑的各個(gè)組成基因及其同源物都具有本基因的功能域，相互間的cDNA序列具有較高的同源性。但這9個(gè)基因的保守性還存在差別，并且單雙子葉植物之內(nèi)的差別小于單雙子葉植物之間的差別。ZmGI基因的cDNA與水稻的OsGI、擬南

7、芥的GI等基因cDNA的同源性分別為83％、63％：ZmGI蛋白的氨基酸序列與水稻、擬南芥的同源性分別達(dá)91％、69％。ZmHd1 （CO）基因的氨基酸序列與單子葉植物水稻、雙子葉植物擬南芥對(duì)應(yīng)的氨基酸序列同源性分別達(dá)到75％、46％。ZCN1和ZCN3（玉米FT/TFL1家族成員）與水稻的RCN1、RCN3和CEN-like基因的同源性分別達(dá)到94％、92％和84％；與擬南芥（Arabidopsis thaliana）TFL1家族基因

8、的TFL1、BFT和ACT的同源性分別達(dá)到73％、71％和65％。ZmFD （ZmDLF1）與水稻的Os-DLF1同源性達(dá)42％，與擬南芥FD的同源性達(dá)25％。ZmLFY2與水稻的RFL同源性達(dá)81％，與擬南芥的LFY基因的同源性達(dá)52％。ZmAP1氨基酸與水稻的OsMADS15同源性達(dá)87％。ZmM4、ZmM15和水稻的OsMADS14的同源性達(dá)76％，與擬南芥的FUL同源性達(dá)56％，與擬南芥的API、CAL的同源性為54％。

9、 5.在光周期敏感材料CML288與光周期鈍感材料黃早4中，ZmFT2、ZmLFY2和ZmAP的氨基酸存在差別，而ZmTFL1、ZmTFL3、ZmFT1和ZmFD則沒有差異。CML288的ZmFT2比黃早4的ZmFT2多7個(gè)氨基酸；CML288的ZmLFY2比黃早的多2個(gè)氨基酸，他們之間還有3氨基酸的置換；CML288的ZmAP1比黃早的缺2個(gè)氨基酸，他們之間還有5氨基酸的置換。此外在距ZmAP1基因的終止密碼TAA外14個(gè)bp處，光周

10、期敏感材料CML288與光周期鈍感材料黃早4相比少了30個(gè)bp。 6.光周期調(diào)控ZmGI、ZmHd1和ZmFT1的表達(dá)。在短日條件下，ZmGI、ZmHd1和ZmFT1在葉片中的表達(dá)存在著明顯的晝夜節(jié)律表達(dá)，他們的表達(dá)峰值分別在光期、暗期和黎明時(shí)分。在長(zhǎng)日照條件下，ZmGI和ZmHd1的變化不大，但ZmFT1的表達(dá)基本上檢測(cè)不到，對(duì)于不同發(fā)育時(shí)期的葉片中的表達(dá)量來(lái)說(shuō)，在短日照條件下，ZmGI、ZmHd1的高量表達(dá)時(shí)期與黃早4和CM

11、L288的光周期成花誘導(dǎo)期的完成相吻合；ZmFT1的高量表達(dá)時(shí)期與黃早4和CML288的成花誘導(dǎo)和早期花發(fā)育的光周期敏感時(shí)期相吻合。 7.ZmFT1、ZmLFY、ZmAP1和ZmTFL1影響玉米的成花轉(zhuǎn)換。在短日照條件下，ZmFT1的mRNA表達(dá)水平在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段不斷升高，并在開花轉(zhuǎn)換前后達(dá)到最大量。在長(zhǎng)日照條件下，ZmFT1的表達(dá)量下降，并且生育期也相應(yīng)推遲。在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，ZmLFY在頂端葉分生組織處低量表達(dá)，在開花轉(zhuǎn)換時(shí)隨