玉米开花期调控机理及育种应用 植物学报    2024, 59 (6): 912-931.   DOI: 10.11983/CBB24127

表3 已克隆的玉米成花转变数量性状位点(QTLs)的详细信息

正文中引用本图/表的段落

营养生长时相转变是玉米从不具备开花潜力的幼龄期向具有开花潜力的成年期的转变, 是玉米具备响应开花信号的关键转折点(Poethig, 2010)。在这一转变过程中, 玉米通常会出现多种形态结构上的变化, 包括叶片形状、叶片蜡质、表皮毛、叶片泡状细胞和中脉的形成以及角质层厚度等(Poethig, 2013) (表1)。一般而言, 成熟玉米植株的第1-5片叶为幼龄叶, 第6-7叶为转变叶, 第8叶至雄穗以下的叶片为成年叶。玉米幼龄叶表现为叶片狭长、有角质层蜡、无表皮毛、无泡状细胞带和中脉、角质层厚度小于1 μm; 经甲苯胺蓝(toluidine blue O, TBO)染色的表皮细胞呈红紫色, 细胞壁木质化程度低, 外周呈波浪状。相反, 成年叶较宽、不具有角质层蜡、上表皮着生表皮毛、叶片具有泡状细胞带和中脉、角质层厚度约为3 μm; 经TBO染色的表皮细胞呈蓝绿色, 细胞壁高度木质化, 外周锯齿状突起显著。转变叶则是从叶基部开始获得成年叶特征, 并向中部延伸, 而叶尖仍然保持幼龄叶的特征(Moose and Sisco, 1994)。此外, 最后一片具有蜡质的叶片(last leaf with epicuticular wax, LLEW)也能直接反映玉米营养生长时相转变的快慢(Foerster et al., 2015) (图2)。

植物激素GA和JA在玉米营养生长时相转变过程中发挥重要作用(Evans and Poethig, 1995)。玉米An1 (anther ear1)和D5 (DWARF5)基因均编码GA生物合成早期步骤的萜烯合酶(terpene synthase, TPS), D3和D1基因分别编码细胞色素P450单氧化酶(P450 monooxygenases)和活性GA生物合成最后的关键GA3氧化酶(ZmGA3ox2)。当以上这些基因发生突变时, 植株出现极度矮化、叶片数增多以及营养生长期延长的表型(Evans and Poethig, 1995)。除内源GA调控营养生长时相转变外, 外源施加活性GA₃能显著提早玉米营养生长时相转变和开花, 而外施活性JA虽能一定程度上延长玉米的营养生长期, 但对玉米花期的影响并不显著(Beydler et al., 2016; Hibara et al., 2016; Osadchuk et al., 2019), 这表明JA仅对早期营养生长时相转变产生影响。然而, 目前尚不明确JA通路中哪些基因参与了玉米营养生长时相转变的调控。此外, 年龄途径与GA和JA途径在玉米营养生长时相转变中的互作和调控关系也还不清楚, 尚待深入研究(图3)。

玉米是全球种质和遗传多样性最为丰富的物种之一, 生育周期长短差异极为显著, 最短仅为2个月, 最长可达11个月(Bouchet et al., 2013)。为深入了解玉米生育期差异的遗传多样性, 研究人员基于不同遗传背景的玉米种质, 对花期性状(如散粉期、吐丝期、散粉吐丝间隔期、穗上/穗下叶片数和总叶片数)进行了系列分析。结果显示, 玉米基因组中至少含有上千个SNPs和近百个基因组区域与花期性状密切相关, 这些位点几乎遍布于玉米的10条染色体(Buckler et al., 2009; Hung et al., 2012; Li et al., 2016; Wang et al., 2020)。然而, 目前采用正向遗传学方法克隆到的与花期相关的QTLs仅10个左右, 其中得到遗传验证的QTLs对应的基因多数参与玉米光周期和生物钟途径, 详细信息见表3 (Beavis et al., 1994; Salvi et al., 2007; Hung et al., 2012; Huang et al., 2018; Guo et al., 2018; Liang et al., 2019; Sun et al., 2020; Li et al., 2021; Su et al., 2021; Zhong et al., 2021; Wu et al., 2023; Zhao et al., 2023)。

光周期和生物钟途径是调控玉米花期和光周期敏感性的核心途径。生物钟系统主要由输入途径、中央振荡器和输出途径3部分组成, 但目前玉米生物钟仅有少部分组分被鉴定出来。其中, ZmPRR37、ZmPRR59和ZmPRR73共同组成了早晨循环(morning loop); 这些基因在转录水平上表现出明显的昼夜节律, 早晨高表达, 傍晚低表达。将这3个基因突变后, 玉米植株在LD和SD条件下均出现提早开花(Yang et al., 2013, 2023b)。以上结果表明早晨循环抑制玉米开花。此外, ZmCCT9和ZmCCT10是响应光周期的开花抑制因子, 后者是水稻Ghd7的同源基因, 二者的表达模式与ZmPRR37/59/73十分相似, 均呈现早晨高表达, 傍晚低表达的昼夜节律。将ZmCCT9和ZmCCT10突变后, 玉米植株在LD条件下也提早开花(Huang et al., 2018)。本实验室前期研究发现, ZmELF3.1/3.2 (拟南芥ELF3 (EARLY FLOWERING3)的同源基因)、ZmELF4.1/4.2和ZmLUX1/2 (拟南芥LUX的同源基因)共同组成玉米的傍晚复合体(evening complex, EC), 这些基因在傍晚高表达, 早晨低表达, 具有明显的昼夜节律。将这些基因敲除后, 玉米植株在LD和SD条件下均表现为晚花。进一步分析发现, EC复合体中ZmLUX1能直接抑制下游开花抑制基因ZmPRR37、ZmPRR73、ZmCCT9、ZmCCT10和ZmCOL3的表达, 从而解除其对成花素基因ZCN7/8/12的抑制作用, 促进玉米开花(Zhao et al., 2023)。这些结果表明, EC复合体在促进玉米开花方面具有重要作用。另外, ZCN7/8/12是响应光周期的开花促进因子(Danilevskaya et al., 2008; Lazakis et al., 2011; Meng et al., 2011)。其中, ZCN8启动子区域的单核苷酸变异(SNP-1245)能直接影响成花激活因子ZmMADS1编码基因(拟南芥成花整合子编码基因SOC1 (SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CO- NSTANS1)的同源基因)对其启动子的调控作用, 进而调控玉米开花(Guo et al., 2018)。此外, ZmGI1和ZmGI2作为生物钟中央振荡器的核心组分, 其蛋白能直接抑制ZCN8和CONSTANS-like基因ZmCONZ1的表达水平, 进而负调控玉米开花(Bendix et al., 2013; Li et al., 2023c)。而与生物钟相关的蓝光受体F-box蛋白ZmFKF1a/b (拟南芥FKF1 (FLAVINBINDING, KELCH REPEAT, F-BOX1)的同源蛋白)能够与ZmCONZ1和ZmGI1蛋白形成多聚蛋白复合体, 进而促进ZmCONZ1和ZCN8的表达, 诱导玉米开花(Chen et al., 2024)。

除上述直接参与光周期和生物钟途径的开花因子外, 玉米中还存在一些间接调控这些基因表达水平从而调控花期的关键因子(Su et al., 2018, 2021, 2024; Sun et al., 2020)。例如, 玉米DLF1蛋白(拟南芥FD的同源蛋白)能够与ZCN8互作, 形成玉米成花素激活复合体(florigen activation complex, FAC), 该复合体能够激活下游花发育基因AP1/FUL类MADS-box基因ZmMADS4 (ZMM4)和ZmMADS67的表达, 从而促进玉米开花(Sun et al., 2020)。此外, NF-Y基因家族中的ZmNF-YC2与ZmNF-YA3均能促进开花。ZmNF-YC2能转录激活ZmNF-YA3的表达, ZmNF- YA3则直接抑制AP2转录因子基因ZmAP2的表达, 从而加速玉米开花(Su et al., 2018; 2021)。近期研究发现, ZmNF-YC2和ZmNF-YA3的表达水平受ZmPRR37蛋白的直接抑制, 而在ZmPRR37启动子上存在一个与花期显著关联的SNP (SNP2071-C/T), 该位点能够直接影响ZmELF6对ZmPRR37启动子的结合能力(Su et al., 2024)。该研究揭示了ZmELF6- ZmPRR37-ZmNF-Ys模块介导光周期途径调控玉米开花的作用机制, 为解析玉米花期调控机理提供了新见解。

年龄途径(miR156-SPL-miR172-AP2)也是一条不依赖于光周期的开花途径(Wang et al., 2009; Wu et al., 2009)。在玉米中, zma-miR156家族成员zma-miR156b/c/g/h以及下游基因Gl15对开花起负调控作用, 而ZmSPL13和ZmSPL29能够直接促进成花转变, 从而诱导玉米开花(Lauter et al., 2005; Chuck et al., 2007; Yang et al., 2023a)。进一步分析发现, ZmSPL13和ZmSPL29蛋白通过2种机制促进玉米开花: 在叶片中能直接激活成花素基因ZCN8的表达, 以促进玉米开花; 在茎尖分生组织中能够特异性结合在花器官发育相关的MADS-box基因ZMM3/4的启动子上, 促进其表达, 从而诱导玉米成花转变(Yang et al., 2023a)。AP2转录因子ZmRap2.7和ZmAP2是玉米花期的抑制基因, 二者突变后, 植株均表现为早花(Liang et al., 2019; Su et al., 2021)。VGT1是ZmRap2.7上游的调控元件, 通过抑制ZmRap2.7的表达促进开花(Salvi et al., 2007)。此外, AG (AGAMOUS)类MADS-box基因ZmMADS69作用于ZmRap2.7上游, 抑制其表达, 从而解除ZmRap2.7蛋白对ZCN8的转录抑制, 进一步促进玉米开花(Liang et al., 2019)。

DPS: 散粉期; DTA: 开花期; LB: 穗下叶片数; DTS: 吐丝期; LN: 总叶片数.字体加粗表明该QTL已得到遗传验证. ...