玉米开花期相关的Indeterminate domain (IDD)蛋白家族基因的鉴定

李云富 王静贤 杜艳芳 邹华文 张祖新,*



玉米开花期相关的Indeterminate domain (IDD)蛋白家族基因的鉴定

李云富1,2王静贤1杜艳芳1邹华文2张祖新1,*

1华中农业大学 / 作物遗传改良国家重点实验室, 湖北武汉 430070;2长江大学农学院, 湖北荆州 434000

开花期是影响玉米产量的重要因子之一。()编码玉米Indeterminate domain (IDD)家族蛋白, 是玉米开花期的重要调控因子。然而, 其他玉米IDD蛋白家族基因及其生物学功能有待深入研究。本文利用生物信息学技术在玉米基因组中鉴定并分离了37个IDD家族基因, 记作。表达分析发现这些基因在8个玉米组织中显示出多种表达模式。为进一步探讨基因在调控玉米开花期上的作用, 检测了37个在172个自交系中的遗传多样性, 发现35个基因在自交系间具有多态性, 平均每个基因具有37.8个多态性位点。关联分析鉴定到包含在内的7个基因在多个环境下与开花期性状显著关联。对基因2 kb的启动子区和600 bp编码区重测序, 共鉴定到64个多态性位点。候选基因关联分析鉴定到2个启动子区的插入缺失(In/Del)位点与开花期显著关联, 其中2个位点分别插入3 bp和2 bp的单倍型为一种提早开花的基因型。研究结果为玉米开花期相关基因的分离和利用研究提供了候选基因和选择靶点。

玉米(L.); 开花期; IDD蛋白家族; 关联分析; 重测序

开花期是玉米适应当地环境的重要性状之一。大约一万年前, 玉米起源于墨西哥西南部, 由其野生祖先大刍草驯化而来[1]。早期的玉米地方品种往往表现出明显的光周期敏感性, 在短日照条件下开花。持续不断的人工改良, 使得现代玉米栽培品种光周期敏感性下降以适应在不同光周期条件下栽培[2]。由营养生长向生殖生长转换是玉米生长发育的关键时期, 这一转换不仅直接决定植株开花期, 也与植株生殖发育密切相关, 进而影响产量[3]。因而, 开花期是玉米育种和生产的重要目标性状。玉米开花期性状一般包括抽雄期(days to tassel, DTT)、散粉期(days to anthesis, DTA)、吐丝期(days to silking, DTS)和散粉—吐丝间隔期(anthesis-silking interval, ASI)。这4个性状均属于数量性状, 由多基因控制[4]。

近年来, 随着基因组学和分子数量遗传学的理论与技术的发展, 科学家对玉米开花期的遗传基础已有初步了解, 并且已有多个玉米生育期相关基因被鉴定和分离。这些基因主要涉及花器官发育、光周期响应、激素合成与信号、成花素调控等途径[5]。参与玉米光周期响应调控的基因主要有、和家族基因。2和均编码一种磷脂酰乙醇胺结合蛋白, 分别与拟南芥TFL和FT同源; ZCN2和ZCN8蛋白在叶片中表达分别经木质部和韧皮部运输到顶端分生组织, 参与调控玉米生殖转换[6-7]。玉米家族基因和Zm也是光周期响应调控的重要基因。负调控表达, 延迟玉米在长日照条件的开花期[8]。是的同源基因, 也是玉米重要的光周期调节基因[9-11]。在玉米改良过程中,和这2个位点上的转座子插入等位基因被选择利用, 导致现代玉米对光周期的敏感性下降, 适应性种植纬度扩大[8-11]。植物激素信号也参与玉米开花期的调控。()、()和是赤霉素合成和信号途径上的重要基因[12-14]。和均编码DELLA蛋白, 关联分析发现与长日照条件下玉米开花相关, 一个编码区6 bp缺失突变体提前开花, 而过表达也会导致开花提前[12-13]。编码一个赤霉素合成抑制酶, 通过调控赤霉素的水平而影响开花[14]。生殖转换和花器官发育是植物开花的生物学基础, 生殖转换和花器官发育相关基因也是开花期相关基因。如玉米是拟南芥()的同源基因, 参与玉米生殖转换[15];是拟南芥中()的同源基因, 抑制生殖转换[16];上游70 kb非编码区可作为顺式因子调节功能基因的表达, 进而调控开花期[17]; MADS-BOX基因也参与玉米生育期调控, 如、和正调控玉米开花期[18-20]。

Buckler等[21]利用NAM (Nested Association Mapping population)群体鉴定到100多个与开花期相关的QTL, 但已分离的开花期相关基因仍然十分有限。在植物中, INDETERMINATE-domain (IDD)家族蛋白是一类锌指蛋白转录因子, 也参与植物开花期的调控。如拟南芥的和通过改变植物体内含糖量和淀粉代谢调控开花[22]。水稻的是IDD蛋白家族基因成员之一, 其突变体在适宜的条件下也无法开花, 表明是水稻开花期控制的关键因子[23]。()是玉米中第1个被克隆的IDD蛋白家族基因, 其突变体表现为叶片增多、花序发育异常、开花期延迟且不受光周期的影响[24], 但玉米IDD蛋白家族其他成员的功能仍有待研究。

本研究利用生物信息学技术、基于IDD同源结构域序列, 在玉米基因组中鉴定并分离了37个IDD 家族基因(), 分析了基因的表达模式和ZmIDD蛋白质的结构; 关联分析发现了7个与开花期显著关联的基因, 鉴定了1个新的花期相关基因, 并进一步分析了该基因自然变异及其单倍型的遗传效应。研究结果为深入解析玉米IDD家族基因对开花期的调控奠定了基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与表型鉴定

2017年春将全球收集的172份玉米自交系分别种植于华中农业大学武汉试验基地(30°N, 114°E)、鄂州试验基地(30°N, 114°E)和襄阳(32°N, 112°E), 采用随机区组设计, 双行区, 3次重复, 行长3.0 m, 行距 0.6 m, 株距0.3 m。以田间系内50%的个体抽雄(植株雄穗尖端露出顶叶3~5 cm)、散粉(雄穗主轴开始散粉)和吐丝(植株雌穗的花丝从苞叶中伸出2 cm左右)分别记作该自交系的抽雄日期、散粉日期和吐丝日期分别减去播种日期, 即为抽雄期、散粉期和吐丝期。利用一般线性模型对3个环境下各性状的均值进行最优无偏估计分析(BLUP, best linear unbiased prediction), 获得各自交系不同表型性状的表型值用于关联分析。

1.2 IDD家族基因序列获取及进化树构建

从TAIR (The Arabidopsis Information Resource)网站上提取拟南芥IDD家族基因的氨基酸序列, 以 FASTA格式保存。以已知的IDD (Zm00001d032922) 氨基酸序列作为查询(Query)序列, 利用BlastP搜索MaizeGDB (Maize Genetic and Genomics Database) 数据库, 初步筛选玉米IDD蛋白序列。将IDD家族特有的C2H2(E-value<0.001)锌指蛋白序列用hmmbuild (hmmer3.1 b1)生成HMM文件, 搜索玉米B73 Pfam (http://pfam.sanger.ac.uk/)数据库, 进一步获得玉米的IDD家族蛋白的基因序列和氨基酸序列, 以FASTA 格式保存。将基因序列分别导入基因结构显示系统(GSDS, http://gsds.cbi.pku.edu.cn/)[25], 绘制基因结构图, 对个别显示错误的结构图进行手工修正。用软件CLC Sequence Viewer (http://www.Qiagenbioin formatics.com/products/clc-sequence-viewer/)进行氨基酸多序列比对, 采用邻近算法(Neighbor-Joining, NJ)构建系统进化树, Bootstrap检验1000次。将玉米IDD蛋白氨基酸序列导入在线蛋白结构域分析系统(SMART)绘制基因蛋白结构图。然后, 根据所预测的基因序列设计引物, 以PCR扩增cDNA序列, 并测序。比较扩增序列与预测序列, 验证玉米IDD家族基因预测序列的准确性。

1.3 表达模式分析

从qteller下载玉米B73自交系转录组数据, 从中提取根、茎、叶、雌穗、雄穗、花丝、种子、花药8个组织的表达数据, 用heatmap.2制作heatmap图。

1.4 关联分析

本实验室前期获得了50万个高质量SNP所鉴定的368份自交系的基因型数据[26]。我们从中提取了172份自交系在37个IDD家族基因位点上的SNP基因型。在此基础上, 结合基因型和表型数据, 利用Tassel 3.0软件和混合线性模型(MLM, mixed linear model)并以Q和K作为协变量开展关联分析。参照Yang等[27]的研究结果进行关联群体的结构分析(Q, population structure)和亲缘关系分析(K, kinship coefficient)。采用<0.01作为宽松的显著关联的阈值, 设置 Bonferroni 校验阈值为更为严格的显著阈值, 即<1/(为所用到的标记数)[28]。

1.5 重测序和候选基因关联分析

为了研究在自交系群体的遗传多样性, 探究潜在的功能变异位点, 在172份自交系中重测序了该基因。首先, 根据B73参考基因组设计基因特异引物(R1-F: 5'-GTGTGGCTGCTTT TGCATTA-3'; R1-R: 5'-TCCTTGCACAGCAGTAA- 3'; R2-F: 5'-CTAAGCGTCCATCCAGTTCC-3'; R2-R: 5'-TTGGAGAAGCTCGTTGCTTT-3'), 以基因特异引物PCR扩增序列; 其次, 通过PCR产物测序以获得各个自交系中序列; 将所有自交系的序列导入Bioedit (https://www.bioedit.com/)软件进行序列比对, 提取各自交系在该基因座上的多态性位点; 最后, 利用各自交系多态性位点的基因型结合开花期表型, 使用Tassel3.0软件(https://www.tassel.com/), 以Q和K为协变量进行候选基因关联分析。

2 结果与分析

2.1 玉米IDD家族基因蛋白结构域和系统进化分析

已知IDD家族蛋白含有保守IDD结构域, 该结构域包含一个核定位信号和两类锌指蛋白结构域(C2H2和C2HC), 其中2个C2H2结构域为 TFIIIA 类型的锌指结构。基于IDD家族蛋白的保守结构域, 在玉米基因组数据库中共筛选到37个玉米IDD蛋白(ZmIDD) (图1), 其中, 34个ZmIDD都包含3个保守基序, 仅含有2个保守基序,和各含1个保守基序, 推测这3个基因的生物学功能和作用机理可能有别于与其他IDD家族成员。进一步利用B73 RefGen V4 cDNA 序列设计引物, 以本实验保存的B73为材料, PCR扩增基因序列并测序。序列分析发现大多数基因序列与参考基因组序列一致, 仅有少数基因存在单个碱基替换, 这些变异可能由PCR扩增所致或者由扩增材料与参考基因组B73有别所致。

使用玉米和拟南芥 IDD 家族蛋白的氨基酸序列, 通过CLC Sequence Viewer V8软件构建玉米和拟南芥IDD家族蛋白的系统进化树(图2)。可以看出, 玉米IDD家族蛋白可以分为3个分支, 每一分支上玉米IDD蛋白都有与之同源的拟南芥IDD蛋白。在拟南芥中, IDD家族基因的生物学功能和作用机理研究比较深入; 在玉米中, 除外的基因生物学功能和作用鲜为人知。因此,与拟南芥IDD家族基因的系统进化分析可为的生物学功能及其调控网络解析提供借鉴和指导。

图1 玉米IDD家族基因及其保守基序特征

通过GSDS2.0软件展示基因结构。直线表示内含子, 黑色矩形表示外显子。通过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家族基因的表达模式

为了解IDD家族基因的表达模式, 提取了公共数据库中B73自交系8个不同组织的转录组数据, 构建了37个的表达模式图(图3)。总体上看, 多数基因在所研究的8个组织中低水平表达, 仅11个(29.7%)基因在至少1个组织中的mRNA水平均高于10 FPKM (fragments per kilobase of exon per million fragments mapped)。表达水平较高的基因也表现出明显的组织特异性, 所有37个均在茎顶端分生组织、花药和花粉中低表达, 2个基因(和)则在除花药和种子外的6个组织中表达水平较高, 3个基因(、和) 在种子中特异性表达, 而在叶片中特异表达。这些基因的特异性表达模式暗示着各自发挥其功能的组织特异性以及玉米IDD家族基因发挥其作用的组织广泛性。

2.3 玉米IDD家族基因的自然变异与开花期的关联分析

分析了37个玉米IDD家族基因在172份自交系中的遗传变异(表1)。由于标记密度和分布的原因, 2个(和) 基因没有标记覆盖, 其他35个基因分别由5~97个SNP所标记, 单个基因平均SNP数为37.8个。结合基因型和3个开花期性状(抽雄期、吐丝期、散粉期)表型的关联分析发现, 在<0.01和<0.00075 (= 1/1323)下均鉴定到7个基因与开花期性状显著关联(表1), 其中,、、和在3个环境和两种阈值下均被检测到。另外,、和在2个环境下检测到与开花期性状显著关联, 这3个基因可能受环境诱导表达进而影响开花期。因此, 我们推测这7个基因可能是玉米开花期相关基因, 具有进一步深入研究的价值。

图2 玉米和拟南芥IDD家族蛋白的系统进化树

系统进化树采用邻接法构建, 自举检验1000次。

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

图3 37个玉米IDD家族基因表达模式

方框内颜色显示基因表达水平, RNA-seq数据用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家族基因的遗传变异及其与开花期的关联分析

Env: 环境。BLUP: 最优线性无偏估计。表中每个环境列下的数字分别表示与抽雄期、吐丝期和散粉期显著关联的标记数, 如5/7/5表示5、7和5个标记分别与抽雄期、吐丝期和散粉期显著关联。

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.

图4 候选基因关联分析

A)变异位点与开花期的关联及多态性位点的连锁不平衡关系。B) 3种单倍型自交系的开花期比较。Hap1为0 + 0单倍型; Hap3为3 bp + 0单倍型; Hap4为3 bp + 2 bp单倍型。DTT为抽雄期; DTS为吐丝期; DTA为散粉期。*< 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遗传多样性及其与开花期的关联分析

由于与2个已知的拟南芥开花期相关基因和的序列相似性高, 位于同一个聚类分支中, 推测在玉米中可能行使类似和的生物学功能, 调控开花期。为此, 进一步分析了与开花期关联的功能位点。对该基因2 kb的启动子和600 bp的基因编码区共2.6 kb序列进行了重测序分析, 在172份自交系中, 共鉴定到45个SNP位点和19个Insertion/Deletion (InDel)位点。结合这64个多态性位点与开花期表型进行关联分析, 发现启动子区2个位点分别与抽雄期、吐丝期和散粉期显著关联, 其中, −1456 bp处为一个0/3 bp的InDel, −999 bp 处为一个0/2 bp的InDel (图4)。

在172份自交系材料中, 这2个位点位于不同的LD block中, 共组成4种单倍型(haplotype), 即单倍型1 (Hap1) 0 + 0、单倍型2 (Hap2) 0 + 2 bp、单倍型3 (Hap3) 3 bp + 0和单倍型4 (Hap4) 3 bp + 2 bp, 各单倍型所占的比例分别为30.43%、1.45%、48.55%和19.57%。由于 Hap2频率低小于5%, 不纳入单倍型遗传效应评估。比较不同单倍型自交系的开花期差异发现, 相较于具有Hap3的自交系, 具有Hap4自交系的抽雄期、吐丝期和散粉期分别提前了0.9 d、1.2 d和1.7 d (<0.01); 相较于具有Hap1的自交系, Hap4自交系的抽雄期、吐丝期和散粉期也有显著的提前(<0.05)。由于Hap4在自交系群体中相对较低的频率和提早开花的遗传效应, 表明该等位基因在玉米开花期遗传改良中具有一定的应用价值。

3 讨论

IDD家族基因编码一类具有锌指蛋白的转录因子, 在植物生长发育过程中发挥着广泛作用[28-32]。目前的研究大多集中于模式植物拟南芥IDD基因对开花期的调控, 而挖掘玉米开花期相关的IDD家族基因具有重要的理论意义和应用价值。本研究鉴定并克隆了37个玉米IDD家族基因, 这些基因都有非常保守的结构域, 推测它们在功能上具相似性。我们发现玉米和拟南芥IDD家族基因的序列相似性很高, 推测玉米IDD家族基因可能具有拟南芥同源基因的相似功能。另外, 在已经克隆的开花期相关基因中, 拟南芥的和水稻中的以及玉米中的都属于IDD家族基因[22-24,33-34]。我们通过关联分析发现, 有7个基因在多个环境下均能够检测到与开花期性状显著关联, 其中一个基因是前人已经报道的、控制玉米开花期的关键基因[24], 因此我们可以推测其他6个基因也可能参与玉米开花期的调控。特别是基因, 其启动子区存在2个变异位点与开花期显著关联。而生物信息学预测这2个插入缺失位点可导致CGGTGCCCC 顺式元件的改变。许多研究发现, CGGTGCCCC顺式元件为ABI4(AP2转录因子的一种)转录因子直接结合位点, 顺式元件的变异则可能导致基因表达改变。因此, 一个可能的假设是, 自交系间基因启动子的插入缺失变异会导致基因表达水平的变异, 进而导致玉米的开花期变异。调节基因的表达水平, 可能改变玉米开花期。这一假设有待进一步研究证实。

通过多类群体和多种方法已鉴定到大量玉米开花期相关的遗传位点。Buckler等[21]利用NAM (Nested Association Mapping population)群体鉴定到36个DTS QTL、39个DTS QTL和29个ASI QTL以及数十个微效位点, 比较物理位置发现, 包含在内的7个开花期相关基因均位于Buckler等所鉴定到的开花期相关QTL内或紧密连锁。李玉玲等[2]利用玉米自交系丹233和自交系N04构建了F2:3和BC2S2家系群体, 共鉴定到22个与开花期相关联的QTL, 分布在玉米10条染色体上。其中, QSS2-1、QBSS3-2、QSS7-1和QBAS10-1分别覆盖了本研究鉴定到的、、和。Li等[35]利用NAM的BC2S3群体, 共鉴定到19个与开花期相关的QTL, 其中、和分别覆盖本研究中的、和。Huang等(2012)利用NAM和IBM群体共鉴定到14个与开花期相关的QTL[11], 其中第1、第3、第7和第8染色体上的QTL分别覆盖、和。这些QTL定位结果间接支持了本研究所鉴定到的开花期相关基因。

IDD基因不仅调控植物开花期, 也参与植物生长发育的调控。在拟南芥中, Welch等[36]发现IDD转录因子成员JKD和MGP参与构成SCR-SHR复合体。JKD和MGP在根的干细胞中特异表达, 受和两个基因的调控。另外, SGR5在花序茎的内皮层表达, 参与调控拟南芥茎早期的重力反应[37]。因此, 玉米IDD家族基因也有可能调控除开花期外的其他植物生物过程。基因表达模式分析发现, 该家族基因表达具有明显的组织特异性, 暗示了各自发挥其功能的组织特异性。因此, 对IDD家族基因的深入研究也将为我们提供更多的植物个体发育和形态建成的调控信息。

4 结论

分析了玉米IDD家族基因的基本特性、遗传变异及其与玉米开花期的相关性。在B73基因组中鉴定了37个IDD家族基因, 分析了它们的结构特征和表达模式, 鉴定到包括在内的7个基因及其自然变异与开花期的关联位点, 为这些基因的深入功能解析和育种应用奠定了基础。

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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

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

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

本研究由国家自然科学基金项目(31871628)资助。

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