PBJ | 中国农业大学田丰教授团队解析光周期基因conz1突变增强玉米对中、高纬度温带地区的适应性机制

• 阅读： 2023/8/28 17:27:45

  近日，中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室、国家玉米改良中心田丰教授团队在Plant Biotechnology Journal发表了题为“A single nucleotide polymorphism in conz1 enhances maize adaptation to higher latitudes”的研究论文，该研究解析了光周期基因conz1上的一个单核苷酸的改变增强了玉米对中、高纬度温带地区的适应性。

  玉米（Zea mays ssp. mays）是由约9000年前分布在墨西哥西南部巴尔萨斯河流域的大刍草（Zea mays ssp. parviglumis）驯化而来。大刍草是短日照植物，对光周期非常敏感，在短日照条件下正常开花，在长日照条件下开花延迟或不开花。现代栽培玉米对光周期的敏感性大大降低，在长、短日照条件下均能正常开花。因此，光周期敏感性的削弱在玉米适应中、高纬度长日照温带环境中发挥了重要作用。

  CONSTANT (CO)是调控拟南芥光周期的关键基因。Hd1是拟南芥CO在水稻中的同源基因，该基因在短日照条件下促进开花，在长日照条件下抑制开花，在促进水稻适应长日照温带环境的过程中发挥了重要作用。Miller等人利用同源克隆的方法鉴定出CO的玉米同源基因conz1，但conz1基因在玉米光周期响应中的功能以及conz1是否在玉米适应长日照温带环境过程发挥了作用还均未报道。田丰教授团队利用由玉米自交系B73和野生种大刍草TIL11杂交衍生的BC2S3群体对开花期光周期响应（FTPR）和叶片数光周期响应（LNPR）进行了遗传解析，在玉米第9染色体检测到一个同时调控FTPR和LNPR的QTL，命名为qPR9。进一步分析显示conz1是qPR9的功能基因。通过关联分析在conz1起始密码子下游166 bp处检测到一个与光周期响应显著关联的SNP，命名为SNP166。与SNP166G等位基因相比，SNP166A等位基因光周期敏感性显著降低。qPR9的大刍草近等基因系携带光周期敏感等位基因SNP166G，而玉米近等基因系携带光周期钝感等位基因SNP166A。比较不同物种CO蛋白序列分析发现，SNP166位于保守的B-box结构域，大刍草TIL11携带保守的天冬氨酸，而玉米B73携带突变的天冬酰胺。分子生物学与生物化学实验表明：相比于携带SNP166A等位基因的CONZ1蛋白，携带SNP166G等位基因的CONZ1蛋白表现更强的蛋白互作能力且具有更强的转录激活及对下游成花素基因ZCN8的促进作用。

  为了研究SNP166是否在玉米适应温带的过程中发挥了重要作用，本研究分析了SNP166在大刍草和现代栽培玉米中的等位基因频率。分析结果显示所分析的大刍草均携带光周期敏感等位基因SNP166G，说明光周期钝感等位基因SNP166A可能是发生于玉米起始驯化之后的新生突变。热带玉米中SNP166A的等位基因频率仅为4%，但在温带玉米中SNP166A的等位基因频率提升至58%。核苷酸多样性和选择分析表明光周期钝感等位基因SNP166A在玉米进化过程中受到了强烈选择。该研究进一步分析了SNP166等位基因在美洲玉米地方品种的地理分布，研究发现SNP166的地理分布与纬度显著关联，光周期钝感等位基因SNP166A主要分布在北美中、高纬度地区，说明conz1在促进玉米由低纬度向北美洲中、高纬度地区扩散传播过程中发挥了重要的作用。

  中国农业大学田丰教授为论文的通讯作者，吴立栓博士、梁亚盟博士和郭丽博士为论文的并列第一作者。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、海南崖州湾种子实验室、中国农业大学三亚研究院等项目的资助。

  原文链接：

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.14148

  转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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