玉米光周期敏感性基因ZmqDPS10-22的功能及调控网络研究

Photoperiod sensitivity of maize is one of the major obstacles for the use of tropical germplasm in temperate environment. Our research team did the fine mapping to the major QTL site 10.04, which showed an important role in maize photoperiod sensitivity, and found it contains three linked QTLs (Including qDPS10-1, qDPS10-21 and qDPS10-22. The candidate genes are denominated ZmqDPS10-1, ZmqDPS10-21, ZmqDPS10-22) with interaction effect. Now, we have already cloned candidate genes to the 3 QTLs. Biological function of ZmqDPS10-1 and ZmqDPS10-21 was analyzed. Based on our previous research, we plan to do the following study: ① Dissect the biological function of ZmqDPS10-22 by reverse genetics research. ② Screen genes or protein factors interacting with the ZmqDPS10-22 sequence or protein coded by it and verify functions of screened factors. ③ Figure out the regulatory effect among ZmqDPS10-1, ZmqDPS10-21, ZmqDPS10-22 ,built a regulatory network of qDPS10-22. So, this project will figure out the molecular mechanism of ZmqDPS10-22 in regulating maize photoperiod sensitivity and built a regulatory network of the candidate gene. It is of great significance in disclosing maize photoperiod pathway

光周期敏感是限制热带、亚热带玉米种质在温带利用的主要因素之一。课题组对光周期热点QTL位点10.04进行精细定位，将其分解为三个连锁的QTL：qDPS10-1、qDPS10-21和qDPS10-22，并且发现它们之间相互作用。目前，课题组已经克隆了它们的候选基因，并对qDPS10-1、qDPS10-21候选基因的功能进行了验证。在此基础上，本项目拟开展以下工作：①利用反向遗传学技术研究与验证qDPS10-22候选基因的生物学功能；②发掘与qDPS10-22的候选基因互作的上下游因子并验证其功能；③分析qDPS10-1、qDPS10-21和qDPS10-22三个位点候选基因的互作关系，建立候选基因的调节网络。本项目将解析候选基因参与光周期途径调控开花时间的分子机制，筛选与候选基因直接互作的上下游因子，构建候选基因在光周期路径中调控光周期敏感的互作网络，对揭示玉米光周期敏感的分子机制意义重大。

本项目在课题组以热带自交系CML288为供体亲本，以温带自交系黄早4(HZ4)为轮回亲本，将玉米光周期主效QTL ZmDPS10-22定位到一个2.6M的区域内。在LD条件下（郑州）的表型鉴定结果表明HZ4NIL比HZ4抽雄期晚0.83天，散粉期晚0.15天，吐丝期早0.19天。利用生物信息学手段结合基因组文库筛选成功克隆了QTL ZmDPS10-22的候选基因ZmCCA1a。序列分析表明该基因为拟南芥光周期生物钟核心组分AtCCA1/AtLHY的同源基因，推测其是玉米光周期路径的重要组分。利用qRT-PCR对该基因的表达模式分析表明，ZmCCA1a的转录本呈光周期节律性表达。在CML288中，ZmCCA1a的转录本在LD条件下的峰值的表达水平比在SD条件下低。而在HZ4中，该基因的转录本峰值表达水平基本相同。在长日照条件下，该基因在HZ4中的峰值表达水平是在CML288中的40%。酵母双杂交蛋白互作研究表明，ZmCCA1a既不形成同源二聚体也不与ZmCCA1b互作形成异源二聚体，进一步验证了不同植物生物钟基因调节的保守性和差异性。在拟南芥中过量表达ZmCCA1a基因推迟了植株的5~8d的开花时间，但是并没有影响下胚轴的长度，说明ZmCCA1a有抑制拟南芥开花的功能。在ZmCCA1a-ox植株中，过量表达的ZmCCA1a基因扰乱了拟南芥的生物钟节律并影响了生物钟相关基因AtCO、AtGI、AtFt的表达。基于本项目研究结果，发表SCI论文1篇（IF≈4.0），发表北大核心期刊文章1篇，已接收北大核心期刊文章2篇，申请发明专利1项。本项目的研究结果为进一步研究ZmCCA1a基因在玉米光周期调节功能中的作用奠定了基础，有助于进一步解释玉米光周期调节的机理。