玉米光周期途径相关基因的研究进展

邱贵兰，李 燕，李红梅，罗 曦，马孝玲，何立群，胡美琳，赵后娟，杜 林，吴元奇，唐海涛，

（1.四川省农业科学院 作物研究所，四川 成都 610066；2.四川农业大学 玉米研究所，四川 成都 611130；3.景洪市种子管理站，云南 景洪 666100；4.四川省农业科学院 植物保护研究所，四川 成都 610066；5.西双版纳傣族自治州农业科学研究所，云南 景洪 666100；6.西双版纳傣族自治州农产品质量安全检测中心，云南 景洪 666100）

玉米（Zea mays L.）是我国第一大粮食作物，在保障国家粮食安全中占有重要地位[1]。2019年，我国玉米种植面积和总产量达4 128.4万hm2和26 077.9万t，分别占谷物总种植面积和总产量的42.19%和42.49%[2]。随着我国畜牧业的发展，玉米需求量不断增加，2020年我国玉米进口量高达1 129.42万t，2021年我国玉米进口规模突破进口配额后仍大幅增加[3]。

我国玉米骨干自交系主要来源于美国的兰卡斯特（Lancaster）、瑞德（Reid）和国内的唐四平头、旅大红骨。由于骨干自交系的长期使用，我国玉米种质资源变得逐渐狭窄。利用热带、亚热带种质改良和拓宽现有种质基础已是世界各国玉米育种者的共识[4]。热带、亚热带种质具有遗传多样性广泛、根系发达、茎秆坚韧、抗病、抗倒伏、耐旱等优良特性，且多数与温带种质具有较强的杂种优势[5]。然而，由于热带、亚热带种质大多具有强烈的光温敏感性，在我国西北地区如甘肃、新疆等温带地区直接种植会出现植株高大、抽雄吐丝延迟、花期不遇、生育期延长、空秆率高、结实性差，甚至有的不能开花结果等问题。此外，我国西南山区地理环境复杂，气候多变，在当地进行种子生产存在制种产量低、制种成本高、种子品质较差、制种风险较大等问题。而我国西北地区地势平坦开阔、土壤肥沃、光热条件好、昼夜温差大，适宜玉米生产，也适宜玉米制种。由于我国西南山区玉米品种大多含有热带、亚热带血缘，在西北地区进行制种和种子生产时，需要钝化其光周期敏感性，提高制种和种子生产的便利性和产量。因此，了解玉米光周期敏感性相关性状的遗传特征、相关基因的功能对钝化光周期敏感性具有重要作用。本文主要阐述了玉米光周期敏感性遗传特征、光周期相关基因的定位、克隆及功能研究，旨在今后对玉米光周期途径调控网络及分子机理研究提供参考。

1 玉米光周期敏感性的遗传特征

玉米是短日照植物，光周期临界日照时数为12～13 h，过长的日照时数将延迟其开花期；王翠玲等[6]研究发现，长日照处理会使黄早4和CML288抽雄和散粉推迟，CML288雌穗不能正常发育，缩短日照时数将提前开花期。此外，生态条件、材料来源、生育阶段等也会影响玉米光周期敏感性。不同生态类型的玉米种质对长光照敏感程度不同，具体表现为：热带玉米＞亚热带玉米＞高原玉米＞温带玉米；不同材料对光周期的敏感程度不同，同一血缘的种质对光周期的敏感程度有差异；热带、亚热带玉米种质群体不同世代对光周期的敏感程度有明显差异；热带、亚热带玉米种质群体不同性状对光周期敏感程度不同，表现为：穗位高＞吐丝期＞抽雄期＞散粉期＞株高＞叶片数[7-10]。

由于光敏感性受众多因素的影响，不同学者评价玉米光周期敏感性的指标不尽相同，大部分学者用雌雄穗开花间隔（ASI）吐丝期、抽雄期、散粉期、株高、穗位、叶片数评价光周期敏感性[11]。

2 玉米光周期敏感相关基因定位研究

随着分子标记技术的快速发展，很多学者利用SNP、RAPD、AFLP、SSR等标记技术在不同玉米群体中定位了与玉米光周期敏感相关性状的多个QTL。

研究者利用不同材料在不同环境下对玉米抽雄期、吐丝期、株高、穗位高、ASI、散粉期积温等光周期敏感指数进行QTL定位，均在第10染色体检测到玉米光周期敏感性状相关基因，并且相关的主效QTL位于10.04区域位置的QTL效益最大[12-14]；2009年，DUCROCQ等[15]进一步在10.04目标区域缩小区域范围至170 kb的区域。2012年，HUNG等[16]利用一项基于高密度玉米单倍型图的全基因组关联研究（GWAS）、用高分辨率定位技术，对巢式设计作图群体（NAM）的玉米开花时间、光周期响应相关QTL位点进行关联分析，将第10染色体上的一个关键数量性状位点（QTL）定位到一个水稻光周期调控因子Ghd7同源基因ZmCCT上。

3 玉米光周期途径相关基因克隆研究进展

高等植物开花包括4个途径，分别为春化途径、自主途径、赤霉素途径、光周期途径。光周期途径是影响植物开花的关键途径，高等植物的光周期途径有3个主要成分，分别是光受体、生物钟与节律调节基因。

3.1 玉米光周期途径节律调节基因的克隆及功能研究

ZmCCT属于玉米光周期途径中的节律调节基因，ZmCCT基因启动子区域起始密码子上游-1 411和-1 520（SNP1411和SNP1520）处2个单碱基改变使ZmCCT基因表达量出现差异[17]，导致玉米产生光周期敏感性。STEPHENSON等[18]在中性早花玉米系Gaspe′Flint中过度表达了由不同强度的组成启动子驱动的ZmCCT10并对其表型进行分析，发现ZmCCT10过表达产生了预期的晚开花表型。随着表达量的增加，营养生长周期显著延长，形态发育缺陷严重。位于第9号染色体上ZmCCT9基因也被HUANG等[19]通过定位克隆和关联作图鉴定为与ZmCCT10相似的开花控制基因，并发现在长日照条件下，利用CRISPR/Cas9技术敲除ZmCCT9导致玉米在长日照下提前开花；Harbinger-like转座因子作为ZmCCT9的阻遏因子促进开花。此外，金敏亮[20]还发现ZmCOL3作为玉米CCT家族重要成员，可能通过反转录激活ZmCCT转录和干扰生物钟抑制玉米开花。因此，ZmCCT9、ZmCCT10两者过表达都将导致玉米晚开花。

conz1、ZCN8基因也是玉米光周期途径中的节律调节基因（表1）。玉米conz1位于玉米基因组第9条染色体上，conz1及其上游基因GIGZ1a和GIGZ1b表现出与其在拟南芥和水稻中的同源物CO和Hd1相似的昼夜表达模式，拟南芥中CO蛋白作用于生物钟和开花控制之间，可将光信号转变为开花信号，长日照条件下，CO通过促进FT基因转录进而促进开花[21]；而玉米中conz1能够在长日照和短日照中有着不同的表达模式，可通过不同的表达模式感知光周期的差异[22]。conz1调控玉米开花期的机制以及具体调控网络尚不清楚。

表1 玉米光周期调控节律调节相关基因

ZCN8基因是拟南芥FT基因的同源基因，位于玉米染色体组第8条染色体的8.05区域，是玉米成花基因。ZCN8促进玉米由营养生长向生殖生长发生转变，在光周期敏感型热带玉米中的表达受光周期的严格调控。在较少诱导的长日照下，ZCN8的转录被抑制，玉米延迟开花，ZCN8的表达也可能通过pre-mRNA剪接来调控[23-24]。此外，组成性开花激活因子ZmMADS69，通过下调玉米开花时间的负调控因子ZmRap2.7的表达，缓解ZCN8的抑制，从而提前开花[25]。

3.2 玉米光周期途径生物钟相关基因的克隆及研究

玉米昼夜节律钟中央振荡器的候选基因包括ZmCCA1、ZmLHY、ZmTOC1a、ZmTOC1b、ZmPRR73、ZmPRR37、ZmPRR59、GIGZ1a、GIGZ1b、ZmFKF1a和ZmFKF1b[26]。其中对ZmCCA1和ZmTOC1的详细研究证实它们是玉米生物钟的关键成分。WANG等[27]克隆的ZmCCA1和ZmTOC1与拟南芥中的两个生物钟基因（AtCCA1和AtTOC1）具有同源性；ZmCCA1在叶片和幼穗等幼嫩和活性植物组织中高表达，且ZmCCA1基因的表达在黎明时达到峰值，然后开始迅速下降。在短日照条件下，ZmCCA1的高表达可能促进开花[28]。ZmTOC1基因在胚芽鞘、穗位叶、花丝等组织中高表达，白天缓慢增加，晚上达到高峰，这与该基因感受、传递光信号，参与调控开花的功能相关[27]。

ZmCCA1和ZmTOC1两者有着密切关系，ZmTOC1表达后，ZmCCA1的表达在随后的夜晚再次升高，这与拟南芥和水稻中AtCCA1和OsCCA1在夜间抑制AtTOC1和OsTOC1的表达模式一致[27]。意味着ZmCCA1和ZmTOC1在玉米的生物钟调节中起到了重要作用，并且可能与拟南芥和水稻中AtCCA1和OsCCA1有着相似的功能。

3.3 玉米光周期途径光敏色素克隆及功能研究

光受体中主要接受光信号的为光敏色素，玉米光敏色素主要有phyA1、phyA2、phyB1、phyB2、phyC1、phyC2。光敏色素所发挥的功能不尽相同、相互影响，但是它们都在光周期途径中起着重要作用。其中ZmphyA1、ZmphyA2和ZmphyC1、ZmphyC2均 能 有效地响应各种光质及光周期处理[29]；ZmphyB1在红光下显著抑制中胚轴伸长，ZmphyB2介导了玉米中光周期依赖的开花转变[30]；并且ZmphyCs可以与ZmphyBs互作，ZmphyCs被敲除后很可能通过影响ZmphyBs的功能，使ZmphyBs的功能减弱，继而促进玉米的开花[31]。还有研究发现，玉米phyB1与拟南芥phyB，玉米phyC1、phyC2与拟南芥phyC基因功能均具有保守型[29，32]，鉴于此，它们很可能以与拟南芥类似的方式促进玉米在长日照条件下开花，可以参考拟南芥中光敏色素的功能来更加深入地研究玉米光敏色素的功能。

4 展望

将热带、亚热带玉米种质引进温带材料中是拓宽玉米种质资源的有效方法。在温带地区利用热带、亚热带玉米种质的传统方法有：将热带、亚热带种质在相似生态区直接利用；在过渡区进行驯化；或是热带、亚热带种质互导后再进行温热互导，然后再轮回选择；以及玉米DH育种技术等。但是这些方法的缺点主要有钝化光周期需要时间较久、具有不确定因素、钝化效果不理想等。了解玉米光周期敏感的遗传特征、掌握光周期途径调控网络将加快解决玉米光敏性问题。

玉米光周期反应是复杂的数量性状。目前，在玉米光周期途径中存在的主要问题包括：虽然已经筛选出一些相关候选基因，但已获得功能证实的基因较少；虽然克隆了少量基因，但对这些基因的功能研究还不够深入。克隆大量相关基因、研究基因相关功能、了解基因间的作用方式、各功能基因对外界环境信号的响应等对构建玉米光周期调控网络有着重要的作用。当前拟南芥和水稻的光周期途径研究较为详细，并且随着基因组测序、转录组分析、基于CRISPR基因编辑以及互作蛋白的大规模筛选等探索手段的多样化发展[33]，以拟南芥和水稻为参考对照，结合分子生物技术研究玉米光周期途径相关候选基因，挖掘与拟南芥、水稻同源的新基因，了解基因间互作机制，将有力促进玉米光周期途径网络调控进程。