光周期影响玉米开花转换的机理研究

论文摘要

热带、亚热带玉米种质具有丰富的遗传变异,是拓宽我国玉米种质遗传基础,提升育种水平的有效途径。然而,玉米的光周期反应是利用热带、亚热带种质的主要障碍。本研究以热带玉米自交系CML288和温带自交系黄早4为材料,采用长短日照相互挪移和激光扫描共聚焦显微镜观察等方法,研究了玉米光周期敏感时期及其对生长发育的影响,并在此基础上采用同源克隆等方法成功克隆与光周期反应和花发育相关的9个基因,分析这些基因在不同光周期条件下的表达规律,初步探讨了光周期敏感性和开花转换的分子机理。主要研究结果如下:1.将玉米的顶端分生组织形态、叶片数和生育期指标相结合,提出了研究玉米光周期敏感时期的方法,将玉米雄穗的光周期敏感时期分为光周期成花诱导期和早期花发育的敏感期。结果显示,在短日照条件下,热带自交系CML288的光周期成花诱导期和早期花发育的敏感期分别在第4～7片展开叶和第6～9片展开叶之间;温带自交系黄早4雄穗的光周期成花诱导期和早期花发育的敏感期分别在第4～6片展开叶和第6～8片展开叶之间。在长日照条件下,CML288雄穗的光周期诱导期和早期花发育的敏感期分别在4～14片展开叶和第14～22片展开叶之间;黄早4雄穗的光周期诱导期和早期花发育的敏感期分别在第4～8片展开叶和第8～11片展开叶之间。2.将玉米的叶片数、吐丝期和ASI值相结合,提出了研究玉米雌穗光周期敏感期的方法,确定了玉米雌穗的光周期敏感期。结果显示,在短日照条件下,黄早4和CML288雌穗的光周期敏感期分别在第5片展开叶展开的第2天到第9片叶展开的第3天,第6片展开叶展开的第2天到第10片叶展开的第3天;在长日照条件下,黄早4和CML288雌穗的光周期敏感期分别在第8～12片展开叶和第14～18片展开叶之间。3.光周期不仅影响玉米的成花诱导,同时还影响玉米雌雄穗的发育。两个自交系长日照条件的雄穗长度及雄穗分枝数要明显长于或多于短日照条件。在雄穗早期发育的光周期敏感期,长短日照相互挪移会造成雄穗分枝数和雄穗长度发生变化,而其它时期不会发生变化。热带自交系CML288从长日照向短日照挪移,第14片叶到19片叶之间的雌穗发育,表现出从发育完全正常到不发育的一个渐变过程,19片叶后雌穗不能发育。反之,从短日照移到长日照,第8片叶到12片叶之间的雌穗发育,表现出从不发育到发育完全正常的渐变过程,8片叶之前挪移雌穗也不能发育。4.采用同源克隆和RACE结合的方法,从两个自交系中分别克隆出了ZmGI、ZmHd1、ZmFT1（ZCN8）、ZmFT2（ZCN18）、ZmTFL1（ZCN1）、ZmTFL3（ZCN3）、ZmFD（ZmDLF1）、ZmLFY（ZFL）、ZmAP1（ZAP1）等9个基因的cDNA和gDNA序列。序列分析结果显示,在短日照和长日照植物中,光周期调控开花和花发育的遗传途径具有保守性,遗传途径的各个组成基因及其同源物都具有本基因的功能域,相互间的cDNA序列具有较高的同源性。但这9个基因的保守性还存在差别,并且单双子叶植物之内的差别小于单双子叶植物之间的差别。ZmGI基因的cDNA与水稻的OsGI、拟南芥的GI等基因cDNA的同源性分别为83%、63%:ZmGI蛋白的氨基酸序列与水稻、拟南芥的同源性分别达91%、69%。ZmHd1（CO）基因的氨基酸序列与单子叶植物水稻、双子叶植物拟南芥对应的氨基酸序列同源性分别达到75%、46%。ZCN1和ZCN3（玉米FT/TFL1家族成员）与水稻的RCN1、RCN3和CEN-like基因的同源性分别达到94%、92%和84%;与拟南芥（Arabidopsis thaliana）TFL1家族基因的TFL1、BFT和ACT的同源性分别达到73%、71%和65%。ZmFD（ZmDLF1）与水稻的Os-DLF1同源性达42%,与拟南芥FD的同源性达25%。ZmLFY2与水稻的RFL同源性达81%,与拟南芥的LFY基因的同源性达52%。ZmAP1氨基酸与水稻的OsMADS15同源性达87%。ZmM4、ZmM15和水稻的OsMADS14的同源性达76%,与拟南芥的FUL同源性达56%,与拟南芥的AP1、CAL的同源性为54%。5.在光周期敏感材料CML288与光周期钝感材料黄早4中,ZmFT2、ZmLFY2和ZmAP的氨基酸存在差别,而ZmTFL1、ZmTFL3、ZmFT1和ZmFD则没有差异。CML288的ZmFT2比黄早4的ZmFT2多7个氨基酸;CML288的ZmLFY2比黄早的多2个氨基酸,他们之间还有3氨基酸的置换;CML288的ZmAP1比黄早的缺2个氨基酸,他们之间还有5氨基酸的置换。此外在距ZmAP1基因的终止密码TAA外14个bp处,光周期敏感材料CML288与光周期钝感材料黄早4相比少了30个bp。6.光周期调控ZmGI、ZmHd1和ZmFT1的表达。在短日条件下,ZmGI、ZmHd1和ZmFT1在叶片中的表达存在着明显的昼夜节律表达,他们的表达峰值分别在光期、暗期和黎明时分。在长日照条件下,ZmGI和ZmHd1的变化不大,但ZmFT1的表达基本上检测不到。对于不同发育时期的叶片中的表达量来说,在短日照条件下,ZmGI、ZmHd1的高量表达时期与黄早4和CML288的光周期成花诱导期的完成相吻合;ZmFT1的高量表达时期与黄早4和CML288的成花诱导和早期花发育的光周期敏感时期相吻合。7.ZmFT1、ZmLFY、ZmAP1和ZmTFL1影响玉米的成花转换。在短日照条件下,ZmFT1的mRNA表达水平在营养生长阶段不断升高,并在开花转换前后达到最大量。在长日照条件下,ZmFT1的表达量下降,并且生育期也相应推迟。在营养生长阶段,ZmLFY在顶端叶分生组织处低量表达,在开花转换时随着ZmFT1高量表达而相继出现高量表达。ZmAP1在ZmFT1和ZmLFY出现高量表达后迅速出现高量表达。而ZmTFL1主要在茎顶端分生组织处,在开花转换前后也出现高量表达。这些结果显示,ZmFT1可能上调ZmLFY和ZmAP1的表达进而促进开花,而ZmTFL1的功能可能是维持花序的生长进而形成叶片或分枝。

论文目录

• 致谢
• 目录
• 摘要
• 第一章 文献综述
• 1 植物光周期敏感的研究进展
• 1.1 植物光周期现象的发现
• 1.2 植物光周期敏感时期的研究
• 1.3 植物光周期感受和发生作用的部位
• 1.4 光期和暗期对植物花发育的作用
• 1.5 光周期作用于花时的分子机制
• 1.5.1 光受体与光周期现象
• 1.5.2 生物钟成分与基因的振荡表达调控
• 1.5.3 光周期促进长日作物拟南芥开花的分子机制
• 1.5.4 光周期促进短日作物水稻开花的分子机制
• 2 植物花分生组织形成机理的研究进展
• 2.1 FT在花分生组织形成中的作用
• 2.1.1 CO与FT的相互关系
• 2.1.2 FT与FLC的相互关系
• 2.1.3 FT与FD的相互关系
• 2.1.4 FT与FD在花分生组织形成中的作用
• 2.2 SOC1在花分生组织形成中的作用
• 2.3 LFY在花分生组织形成中的作用
• 2.4 TFL1基因在花发育转换过程中的作用
• 3 玉米光周期敏感研究进展
• 3.1 热带玉米种质与光周期敏感时期的研究
• 3.2 玉米光周期敏感相关性状基因的定位研究
• 3.3 玉米光周期敏感和花发育相关基因的克隆和研究
• 4 研究玉米光周期与开花转换的意义
• 第二章 玉米花发育的成花诱导和花发生的敏感时期
• 1 材料与方法
• 1.1 试验材料
• 1.2 光周期的处理方法与取样
• 1.3 茎端分生组织的观察
• 2 结果分析
• 2.1 光周期对黄早4和CML288主要生育性状的影响
• 2.2 长短日照相互挪移处理对黄早4和CML288主茎叶片数的影响
• 2.3 长短日照相互挪移处理对黄早4和CML288抽雄期的影响
• 2.4 长短日照相互挪移处理对黄早4和CML288散粉期的影响
• 2.5 长短日照相互挪移处理对黄早4和CML288吐丝期的影响
• 2.6 长短日照相互挪移处理对黄早4和CHL288的ASI值的影响
• 2.7 茎端分生组织的观察
• 2.7.1 短日照条件下玉米茎端分生组织的观察
• 2.7.2 长日照条件下玉米茎端分生组织的观察
• 3 结论与讨论
• 3.1 玉米雄穗的光周期敏感时期
• 3.2 玉米雌穗的光周期敏感时期
• 第三章 光周期对玉米花器官形成的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 试验材料与光周期处理方法同第二章
• 1.2 调查及测定项目
• 1.2.1 雄穗的观察记载
• 1.2.2 雌穗的观察记载
• 2 结果与分析
• 2.1 光周期对黄早4和CML288雌雄穗部性状的影响
• 2.2 长短日照相互挪移对CML288和黄早4雄穗长度的影响
• 2.3 长短日照相互挪移对CML288和黄早4雄穗分枝数的影响
• 2.4 长短日照相互挪移对CML288雌穗发育的影响
• 3 结论与讨论
• 3.1 光周期对玉米雄雌穗发育的影响
• 3.2 光周期影响玉米雄雌穗发育的机理
• 第四章 玉米光周期相关基因的克隆与序列分析
• 1 材料与方法
• 1.1 试验材料
• 1.1.1 植物材料的处理与取样
• 1.1.2 试剂、质粒及菌株
• 1.2 试验方法
• 1.2.1 植物总RNA提取
• 1.2.2 总RNA中DNA的去除
• 1.2.3 cDNA第一链的合成
• 1.2.4 cDNA的加尾
• 1.2.5 PCR扩增
• 1.2.6 产物的回收、连接及转化
• 1.2.7 质粒提取及双酶切
• 1.2.8 DNA序列的测定
• 1.2.9 目的基因的分离
• 1.3 目的基因gDNA克隆
• 1.4 CDS序列及基因组序列的比对分析
• 2 结果与分析
• 2.1 ZmGI基因
• 2.1.1 ZmGI基因的序列分析
• 2.1.2 ZmGI基因在玉米基因组中的定位分析
• 2.2 ZmHd1基因
• 2.2.1 ZmHd1基因的分离
• 2.2.2 ZmHd1基因的的序列分析
• 2.2.3 ZmHd1基因的定位分析
• 2.3 ZmTFL1（ZCN1）和ZmTFL3（ZCN3）基因
• 2.3.1 ZmTFL1和ZmTFL3基因的分离
• 2.3.2 ZmTFL1和ZmTFL3基因的序列分析
• 2.3.3 ZmTFL1和ZmTFL3基因的定位分析
• 2.4 ZmFT2和ZmFT1基因
• 2.4.1 ZmFT2和ZmFT1基因的分离
• 2.4.2 ZmFT2和ZmFT1基因的序列分析
• 2.4.3 ZmFT2和ZmFT1基因的定位分析
• 2.5 ZmFD基因
• 2.5.1 ZmFD基因的分离
• 2.5.2 ZmFD基因的序列分析
• 2.5.3 ZmFD基因的定位分析
• 2.6 ZmLFY2基因
• 2.6.1 ZmLFY2基因的分离
• 2.6.2 ZmLFY2基因的序列分析
• 2.6.3 ZmLFY2基因的定位分析
• 2.7 ZmAP1基因
• 2.7.1 ZmAP1基因的分离
• 2.7.2 ZmAP1基因的序列分析
• 2.7.3 ZmAP1基因的定位分析
• 3 结论与讨论
• 3.1 玉米开花转换和花发育相关基因的同源序列分析
• 3.1.1 不同物种间光周期调控开花的相关基因及其遗传途径具有保守性
• 3.1.2 同一物种内光敏感与钝感材料之间调控开花的相关基因有非常保守的,也有存在明显差异的
• 3.2 目的基因的图谱位置与黄早4和CML288的RIL遗传作图群体的光敏感相关性状QTL定位结果相一致
• 第五章 光周期调控的玉米开花转换关键基因的表达规律研究
• 1 材料和方法
• 1.1 材料处理和取样
• 1.2 试剂
• 1.3 总RNA提取、纯化及反转录
• 1.4 目的基因的实时定量表达分析
• 1.4.1 引物设计
• 1.4.2 标准品制备和标准曲线的建立
• 1.4.3 荧光定量PCR体系和反应条件的优化
• 1.4.4 样品检测与数据处理
• 2 结果与分析
• 2.1 cDNA检测
• 2.2 标准曲线
• 2.3 ZmGI基因的表达分析
• 2.3.1 ZmGI基因的昼夜周期性表达规律
• 2.3.2 ZmGI基因在3到8叶期的茎尖和叶片中的表达规律
• 2.4 ZmHd1基因的表达分析
• 2.4.1 ZmHd1基因的昼夜周期性表达规律
• 2.4.2 ZmHd1基因在4到11叶期的茎尖和叶片中的表达规律
• 2.5 ZmFT1基因的表达分析
• 2.5.1 ZmFT1基因的昼夜周期性表达规律
• 2.5.2 ZmFT1基因在4到11叶期茎尖和叶片中的表达规律
• 2.6 ZmFT2基因的表达分析
• 2.6.1 ZmFT2基因的昼夜周期性表达规律
• 2.6.2 ZmFT2基因在4到11叶期茎尖和叶片中的表达规律
• 2.7 ZmLFY基因的表达分析
• 2.7.1 ZmLFY基因的昼夜周期性表达规律
• 2.7.2 ZmLFY基因在4到11叶期茎尖中的表达规律
• 2.8 ZmAP1基因的表达分析
• 2.8.1 ZmAP1基因的昼夜周期性表达规律
• 2.8.2 ZmAP1基因在4到11叶期茎尖中的表达规律
• 2.9 ZmFT1、ZmTFL1、ZmLFY和ZmAP1的相互关系分析
• 3 结论讨论
• 3.1 ZmGI、ZmHd1和ZmFT1参与光周期调控的开花途径
• 3.2 ZmFT1、ZmLFY和ZmAP1促进玉米开花
• 3.3 ZmLFY和ZmAP1可能影响玉米的花序结构
• 3.4 ZmTFL1抑制玉米的成花诱导
• 3.5 开花调控的展望
• 参考文献
• 英文摘要