玉米多效性基因ZmCol3功能的分子机理研究和育种价值评估

In our previous study, The ZmCol3 was identified as an important pleiotropic gene affecting photoperiod response. It delays flowering, increases plant height and leaf number in maize (Zea mays). However, the molecular mechanisms of ZmCol3 underlying the regulation of pleiotropic functions has not been well established and, importantly, its potential breeding value still remain unknown. In this work, (1) We study the interaction between ZmCol3 and the known photoperiod genes by qRT-PCR and transactivation experiments , and clarify the position of ZmCol3 in the photoperiodic pathway; (2) The differential transcriptome sequencing, ChIP-sequencing, qRT-PCR, yeast one/two hybrid, bimolecular fluorescence complementation and bioinformatics analysis will be further performed to characterize the complex molecular regulation mechanisms of ZmCol3 controlling flowering, plant height and leaf number; (3) To explore the evolutionary changes at the ZmCol3 locus, the nucleotide polymorphism will be analyzed by PCR- sequencing technology among different maize inbred lines; (4) Yield potential and ecological adaptability of ZmCol3 will be also evaluated under long/short photoperiod condition. This study will provide important insights into the pleiotropic function of Zmol3. Analysis of molecular mechanisms and breeding value of ZmCol3 enables the optimization of leaf number and maturity stages for ideal plant architecture breeding in maize.

玉米ZmCol3基因已被证实能够调控开花，株高和叶片数三种不同农艺性状，是一个具有一因多效性的重要基因。ZmCol3发挥多效性生物功能的详细分子机理至今未知，是否具有潜在育种价值也尚不清楚。本项目拟通过（1）从表达水平上研究ZmCol3与已知3个光周期基因互作关系，明确ZmCol3在光周期途径的位置；（2）利用转录组测序、染色质免疫沉淀测序、酵母单/双杂交等技术分离ZmCol3互作基因和结合蛋白，鉴定控制开花、株高和叶片数三种不同性状代谢途径的关键节点，构建分子调控网络；（3）开展自然群体中ZmCol3核苷酸多样性分析，解析ZmCol3在玉米自然进化中人工选择的分子机理；（4）分别在长短日照条件下评估ZmCol3转基因材料的增产潜力和生态区适应性，分析ZmCol3育种价值。本研究的顺利开展有望明确ZmCol3发挥多效性功能的分子机制和育种价值，为未来玉米分子设计育种提供新思路和新靶点。

ZmCOL3影响玉米开花，株高和叶片数，是一个具有潜在应用价值的关键基因。开展ZmCol3基因多效性功能分析、分子机理解析和育种价值评估，对玉米育种中合理应用该基因具有重要指导意义。本项目成功创制ZmCOL3组成型表达、GFP融合蛋白表达、FLAG融合蛋白表达、RNAi抑制表达、根特异性表达、根优先性表达、编码序列基因编辑和启动子编辑等多种生物技术新材料，利用上述材料证实ZmCOL3具有抑制玉米开花，增加株高穗位高，增加叶片数，提高耐旱、耐盐、抗茎腐病、抗南方锈病、耐低氮肥的能力，以及增加穗长、提高单穗产量等增产潜力。进一步利用组织特异性差异转录组分析、荧光定量PCR、酵母单双杂交、CHIP-Seq技术等系统性研究ZmCOL3产生功能多效性的分子机理，研究表明：ZmCOL3调控玉米开花分子机制复杂，主要通过结合ZmCCT的启动子区激活其转录从而下调成花素基因 ZCN8 的表达、干涉生物钟途径基因并最终下调生物钟输出基因 GIGZ1A 和 GIGZ1B 表达、干扰海藻糖代谢途径影响玉米生长发育三条途径调控开花；通过促进生物钟途径中的ZmPRR37a基因表达上调，影响株高和叶片数增加；驯化机制方面，研究分析了P551/P27位点在我国玉米不同生态区的分布情况，证实P217到P551的遗传变异在玉米从低纬度向高纬度人工驯化过程中受到了育种家的选择，进一步开发功能性分子标记InDel-PZmCOL3，并用于育种实践；育种价值评估方面，开展农业部多年多点中间实验，较为系统的评估了ZmCOL3育种价值，为推进该基因生物育种产业化提供了材料基础。开发的根特异性表达转化体成功实现了对ZmCOL3多效性基因功能合理化拆解，解决了ZmCOL3因延迟生育期无法在常规玉米品种中大面积应用的难题，创制的材料不但不延迟生育期，还保留了多种抗性，为进一步应用该基因生物育种提供了新思路。