丁武思，陳士瞻，劉 磊，樊曉聰，丁夢月，孫廣華，王立建,2，楊建平

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450046； 2.河南警察學(xué)院，河南 鄭州 450046)

玉米(Zeamays)是世界上總產(chǎn)量最高的糧食作物，其總產(chǎn)量占全球谷物總產(chǎn)量的37.2%[1]。隨著食品、飼料和工業(yè)產(chǎn)品對玉米需求量的遞增，提高玉米單產(chǎn)顯得十分必要[2-4]。耐密品種可以有效提高玉米單產(chǎn)，在過去的幾十年里，耐密玉米品種的推廣對美國和我國等國家的玉米持續(xù)增產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)[5-8]。但是隨著種植密度的增加，植株間相互遮擋，造成光照不足，玉米出現(xiàn)徒長、莖葉夾角變小、早花、倒伏甚至空稈等避蔭性綜合反應(yīng)(Shade-avoidance syndrome，SAS)[9-13]，嚴(yán)重制約玉米單產(chǎn)的進(jìn)一步增加。環(huán)境中光照的變化能顯著影響玉米的株型、開花期、產(chǎn)量和品質(zhì)等[14-19]。因此，探索自然界光能高效利用是進(jìn)行玉米產(chǎn)量和品質(zhì)改良的重要途徑[14]。

植物通過光受體感知光質(zhì)、光強(qiáng)和光照節(jié)律的變化，及時(shí)調(diào)控自身的生長與發(fā)育進(jìn)程。植物的光受體主要分為三大類，即紅光及遠(yuǎn)紅光(600～750 nm)受體光敏色素(Phytochrome，PHY)，藍(lán)光及UV-A(320～500 nm)受體隱花色素(Cryptochrome)和向光素(Phototropin)、UV-B(282～320 nm)受體等[20-22]。其中，光敏色素類蛋白通常形成同源或異源二聚體，其N端形成的疏水區(qū)以共價(jià)鍵的方式結(jié)合線性四吡咯生色團(tuán)，負(fù)責(zé)感受光的變化；C端負(fù)責(zé)信號傳遞及核定位，是2個(gè)光敏色素分子形成二聚體所必需的結(jié)構(gòu)區(qū)段[23-24]。光敏色素參與調(diào)節(jié)植物從萌發(fā)到成熟的整個(gè)生長發(fā)育過程，也參與晝夜節(jié)律生物鐘調(diào)控[25-26]。研究玉米光敏色素在光形態(tài)建成中的功能，可為改善玉米株型、提高玉米產(chǎn)量奠定理論基礎(chǔ)。

模式植物擬南芥(Arabidopsisthaliana)包含5個(gè)PHY基因，PHYA—PHYE[27-28]，對擬南芥光敏色素的研究較深入，但主要集中在PHYA和PHYB上，PHYC、PHYD和PHYE的研究相對薄弱。按照光敏色素在光照條件下的穩(wěn)定性，可以將它們分為光不穩(wěn)定型和光穩(wěn)定型[29]。其中，PHYA屬于光不穩(wěn)定型，是最主要的遠(yuǎn)紅光受體，介導(dǎo)遠(yuǎn)紅光高輻照反應(yīng)(Far-red-high-irradiance responses,FR-HIRs)和極低輻照反應(yīng)(Very-low-fluence responses，VLFRs)；PHYB、PHYC、PHYD和PHYE屬于光穩(wěn)定型，是主要的紅光受體，介導(dǎo)低輻照(Low-fluence responses，LFRs)反應(yīng)，并且PHYB起主導(dǎo)作用[30-31]。與野生型相比，phyC突變體幼苗對持續(xù)紅光的敏感性降低，表現(xiàn)出下胚軸變長和子葉變??；在擬南芥中，盡管PHYC含量不高，但卻參與了植株弱紅光下幼苗的去黃化和子葉增大，同時(shí)也是短日照條件下的開花抑制因子[32-33]。

在禾本科植物中，光敏色素基因只有3個(gè)亞家族：PHYA、PHYB和PHYC[14]。玉米的遠(yuǎn)古種基因組經(jīng)過了四倍體化的過程，由2個(gè)相近的禾本科物種雜交而來，而每個(gè)物種都攜帶一套PHYA、PHYB和PHYC，隨后的去四倍體化過程中光敏色素基因并沒有被去除，導(dǎo)致玉米基因組有3對光敏色素基因PHYA1、PHYA2，PHYB1、PHYB2，PHYC1、PHYC2[34]。水稻(Oryzasativa)PHYC基因參與光形態(tài)建成的調(diào)節(jié)，phyA/phyB/phyC三重突變體黃化反應(yīng)極強(qiáng)，且胚芽鞘和葉片增長[35]。另外，PHYC基因能抑制水稻在長日照條件下的開花，水稻phyC突變體在長日照條件下提前7 d開花，phyA/phyC雙突變體的開花期更加提前[35-36]。在小麥(Triticumaestivum)中，phyC突變體在長日照和短日照條件下分別推遲開花108 d和19 d[37]。近期的研究表明，ZmPHYB1和ZmPHYB2可以促進(jìn)玉米的生長，增加玉米生物量和產(chǎn)量[38]。

在玉米中，對于PHYC的研究相對滯后，它們在玉米生長發(fā)育過程中的功能尚不清楚。ZmPHYC1和ZmPHYC2對各種光質(zhì)和光周期處理均有較強(qiáng)的響應(yīng)，推測二者在調(diào)控玉米光形態(tài)建成和開花中具有重要作用[26]，但其具體功能尚不清楚。為此，克隆玉米的2個(gè)PHYC基因，轉(zhuǎn)化擬南芥phyC-2突變體和野生型Col-0，對ZmPHYC1和ZmPHYC2進(jìn)行功能驗(yàn)證，并探討玉米與擬南芥PHYC功能的異同，以及ZmPHYC1和ZmPHYC2二者在光形態(tài)建成和避蔭性反應(yīng)中作用的差異，從而為玉米的開花期、株型和產(chǎn)量等重要農(nóng)藝性狀的改良提供新的策略。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)材料 玉米自交系B73由李新海博士贈送、楊建平實(shí)驗(yàn)室繁育并保存，擬南芥突變體phyC-2由美國加州大學(xué)伯克利分校Peter QUIAL教授贈送，擬南芥哥倫比亞野生型(Col-0)、大腸桿菌DH5α感受態(tài)、農(nóng)桿菌GV3101感受態(tài)和植物表達(dá)載體pJIM19-Myc由楊建平實(shí)驗(yàn)室繁育并保存。

1.1.2 試驗(yàn)試劑 快速質(zhì)粒小提試劑盒(DP105-03)、瓊脂糖膠回收試劑盒(DP209-03)、反轉(zhuǎn)錄試劑盒(KR106-02)和通用型DNA純化回收試劑盒(DP214-03)均購于天根生化科技公司；Trizol試劑盒(Invitrogen，USA)購于賽默飛世爾試劑公司；限制性內(nèi)切酶購于NEB公司；無縫克隆ClonExpress MultiS One Step Cloning Kit(C113)購于諾唯贊生物科技公司；2×KOD One PCR酶反應(yīng)混合液購于ToYoBo公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 ZmPHYC1和ZmPHYC2蛋白理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)域預(yù)測與系統(tǒng)進(jìn)化分析 使用ProtParam網(wǎng)站(http://web.expasy.org/protparam)對ZmPHYC1和ZmPHYC2蛋白的分子質(zhì)量和等電點(diǎn)等進(jìn)行分析，并且使用SMART網(wǎng)站(http://smart.embl-heidelberg.de/)分析其結(jié)構(gòu)域；用DNAMAN(Version 8.0)軟件對這2個(gè)蛋白質(zhì)以及二穗短柄草(Brachypodiumdistachyon)、水稻和擬南芥的PHYC蛋白結(jié)構(gòu)域進(jìn)行序列比對；利用NCBI網(wǎng)站(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/)獲得模式植物擬南芥PHYA—PHYE蛋白，其他雙子葉植物番茄(Solanumlycopersicum)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)、葡萄(Vitisvinifera)，禾本科植物小麥(Triticumaestivum)、大麥(Hordeumvulgare)、黑麥(Secalecereal)、燕麥(Avenasativa)、二穗短柄草、水稻和高粱(Sorghumbicolor)的PHYC蛋白序列。然后利用MEGA-X軟件使用Neighbor-joining(NJ)法進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析，設(shè)置Bootstrap值為1 000。

1.2.2 RNA提取及cDNA合成 采用Trizol試劑盒提取玉米B73葉片的總RNA。RNA樣品溶于DEPC水中，然后按照反轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書反轉(zhuǎn)錄得到cDNA，儲存于-80 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 2個(gè)ZmPHYC基因的克隆及載體構(gòu)建 玉米自交系B73光敏色素ZmPHYC1(Zm00001d034038-T002)和ZmPHYC2(Zm00001d013262-T001)(MaizeGDB，http：//www.maizegdp.org/)的編碼區(qū)序列(Coding sequence，CDS)擴(kuò)增引物采用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計(jì)，引物序列(ZmPHYC1-F/ZmPHYC1-R和ZmPHYC2-F/ZmPHYC2-R)見表1。擴(kuò)增ZmPHYC1和ZmPHYC2基因所用的PCR反應(yīng)體系(20 μL)：7 μL的無菌水，10 μL的2×KOD One酶反應(yīng)混合液，1 μL的2.5 mmol/L上游、下游引物，1 μL的cDNA。PCR反應(yīng)程序：94 ℃ 5 min；94 ℃ 30 s，58 ℃ 30 s，72 ℃ 4 min，35個(gè)循環(huán)；72 ℃ 2 min；16 ℃保存。反應(yīng)結(jié)束后，將樣品從PCR儀中取出，再用1%瓊脂糖凝膠電泳對PCR產(chǎn)物進(jìn)行分離。電泳結(jié)束后，在凝膠成像儀中觀察凝膠并拍照，切下目的基因片段，利用無縫克隆試劑盒將其連接到植物表達(dá)載體pJIM19-Myc，得到pJIM19-Myc-ZmPHYC1和pJIM19-Myc-ZmPHYC2，測序正確后備用。

表1 玉米2個(gè)PHYC基因克隆及轉(zhuǎn)基因植株P(guān)CR檢測引物Tab.1 Primers for cloning two PHYC genes in maize and PCR detection of transgenic plants

1.2.4 擬南芥轉(zhuǎn)化及鑒定 將測序正確的pJIM19-Myc-ZmPHYC1和pJIM19-Myc-ZmPHYC2電擊轉(zhuǎn)化到農(nóng)桿菌GV3101中，然后利用浸花法轉(zhuǎn)化到擬南芥野生型Col-0和phyC-2突變體中，得到pJIM19-Myc-ZmPHYC1和pJIM19-Myc-ZmPHYC2的T1種子，分別點(diǎn)播在含卡那霉素和除草劑草銨膦(Glufosinate ammonium)的MS培養(yǎng)基中，將T1轉(zhuǎn)基因單拷貝株系(符合孟德爾遺傳規(guī)律，表現(xiàn)為存活∶死亡=3∶1)幼苗移栽到營養(yǎng)土中并在溫室中培養(yǎng)，經(jīng)過3代篩選得到純合株系種子用于后續(xù)試驗(yàn)。轉(zhuǎn)基因陽性植株的鑒定采用卡那霉素和草銨膦抗性平板篩選結(jié)合特異引物PCR檢測法，引物序列(ZmPHYC1-PF/ZmPHYC1-PR和ZmPHYC2-PF/ZmPHYC2-PR)見表1。以轉(zhuǎn)基因擬南芥基因組DNA為模板，進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增所用的PCR反應(yīng)體系(總體積為20 μL)：7 μL的無菌水，10 μL的2×KOD One PCR Buffer，1 μL的2.5 mmol/L上游、下游引物，1 μL的DNA。PCR反應(yīng)程序：94 ℃ 5 min；94 ℃ 30 s，58 ℃ 30 s，72 ℃ 2 min，35個(gè)循環(huán)；72 ℃ 2 min；16 ℃保存。反應(yīng)結(jié)束后，將樣品從PCR儀中取出，然后用1%瓊脂糖凝膠電泳對PCR產(chǎn)物進(jìn)行分離。電泳結(jié)束后，用凝膠成像儀觀察并拍照。有2 kb條帶者即為陽性植株，無此條帶者則為陰性植株。

1.2.5 光處理及幼苗下胚軸測定 種子前處理：將擬南芥野生型Col-0、phyC-2突變體和轉(zhuǎn)基因單拷貝純合株系的種子經(jīng)消毒滅菌后于4 ℃黑暗放置3 d，點(diǎn)播在1/2 MS培養(yǎng)基平板上，然后置于白光下4 h誘導(dǎo)萌發(fā)。光處理：將播種后的1/2 MS培養(yǎng)基平板分別放于黑暗(Dk)、持續(xù)遠(yuǎn)紅光[FR，2.50 μmol/(m2·s)]、紅光[R,30 μmol/(m2·s)]、藍(lán)光[B，6.0 μmol/(m2·s)]、白光[WL,30 μmol/(m2·s)]22 ℃培養(yǎng)箱中生長4 d。

下胚軸測量：將待測的幼苗擺放在1/2 MS培養(yǎng)基平板上，用體式顯微鏡(OLYMPUS SZX7)觀察并拍照，然后用Image View軟件測量幼苗的下胚軸，測量約30株幼苗。

目前，電的使用滲透到生活的方方面面，各行各業(yè)都離不開電，隨之而來的是更多的供電要求，而配電網(wǎng)起的是分配電能的作用，其直接將電能送給用戶[1]，是面向用戶的直接傳播媒介。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的一個(gè)有效手段，能夠提高供電能力。配電網(wǎng)一般性而言，在閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)候進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)工作和解環(huán)樹狀運(yùn)行[2]，它含有大量的開關(guān)，使得重構(gòu)就是改變網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)的斷開和閉合，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的重組，以改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。配電網(wǎng)重構(gòu)指的是網(wǎng)絡(luò)滿足輻射樹狀運(yùn)行條件下，線路上的容量和電壓、電流均符合裕度等一系列約束條件，通過尋優(yōu)算法尋找該系統(tǒng)的一種開關(guān)開閉組合情況，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)供電常規(guī)目的，如降低網(wǎng)損、消除過載、均衡負(fù)荷[3]等。

1.2.6 短日照和長日照處理 按照1.2.4方法將播有野生型Col-0、突變體phyC-2和轉(zhuǎn)基因單拷貝純合株系種子的1/2 MS培養(yǎng)基平板置于短日照條件(Short day，SD，8 h光照/16 h黑暗)或者長日照條件(Long day，LD，16 h光照/8 h黑暗)的22 ℃培養(yǎng)箱中生長6 d，按照1.2.5方法測量下胚軸長度。

1.2.7 避蔭處理 種子前處理同1.2.4。避蔭處理：將播有野生型Col-0、突變體phyC-2和轉(zhuǎn)基因單拷貝純合株系種子的1/2 MS培養(yǎng)基置于22 ℃白光(R/FR=6.480)培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2 d，然后分別在持續(xù)白光和白光+遠(yuǎn)紅光 [WL+FR，30 μmol/(m2·s)，R/FR=0.048]的22 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5 d。下胚軸測量同1.2.5方法。

1.2.8 幼苗葉綠素含量測定 將前處理好的播有野生型Col-0、突變體phyC-2和轉(zhuǎn)基因單拷貝純合株系種子的1/2 MS培養(yǎng)基平板置于持續(xù)紅光的22 ℃培養(yǎng)箱中生長4 d，每個(gè)株系挑取3份，每份150株，置于1.5 mL離心管中，迅速放入-196 ℃液氮中。取出離心管用研磨棒充分研磨，加入300 μL的80%丙酮，黑暗放置2 h，13 200 r/min離心，取250 mL的上清液，加入750 μL的80%丙酮定容，最后用微量分光光度計(jì)測量樣品A647、A663。根據(jù)葉綠素計(jì)算公式計(jì)算葉綠素含量，葉綠素含量(μg/mL)=18.71×A647+7.15×A663，然后計(jì)算每株幼苗的葉綠素含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 ZmPHYC1和ZmPHYC2基因的克隆及植物表達(dá)載體的構(gòu)建

以玉米自交系B73的cDNA為模板擴(kuò)增ZmPHYC1和ZmPHYC2基因片段，然后連接到植物表達(dá)載體pJIM19-Myc，經(jīng)測序驗(yàn)證成功構(gòu)建了ZmPHYC1和ZmPHYC2基因的植物表達(dá)載體，如圖1所示。

2.2 ZmPHYC1和ZmPHYC2蛋白結(jié)構(gòu)域及系統(tǒng)進(jìn)化分析

通過RT-PCR得到玉米2個(gè)ZmPHYC1和ZmPHYC2基因的CDS，二者均為3 405 bp，利用NCBI網(wǎng)站預(yù)測其編碼1 135個(gè)氨基酸殘基的多肽，利用ExPASy網(wǎng)站預(yù)測二者分子質(zhì)量分別為126.14 ku和126.07 ku，理論等電點(diǎn)分別為5.89和5.93。利用NCBI網(wǎng)站對ZmPHYC1和ZmPHYC2以及二穗短柄草、水稻和擬南芥的PHYC蛋白結(jié)構(gòu)域進(jìn)行分析，同時(shí)進(jìn)行多重序列比對分析發(fā)現(xiàn)，ZmPHYC1和ZmPHYC2蛋白具有高度保守的結(jié)構(gòu)域，包括1個(gè)PAS_2結(jié)構(gòu)域、1個(gè)GAF結(jié)構(gòu)域、1個(gè)PHY結(jié)構(gòu)域、1個(gè)組氨酸激酶A(Histidine kinase A domain，HisKA)結(jié)構(gòu)域和1個(gè)類組氨酸激酶ATP(三磷酸腺苷)酶結(jié)構(gòu)域(Histidine kinase like-ATPase domain，HATPase)(圖2)。系統(tǒng)進(jìn)化分析(圖3)表明，ZmPHYC1與ZmPHYC2的氨基酸一致性最高(94%)，與高粱的PHYC一致性較高(93%)。禾本科中的普通小麥、黑麥、大麥與水稻的PHYC親緣關(guān)系相對較近，它們與玉米、高粱PHYC蛋白處于不同的分支。

2.3 轉(zhuǎn)基因單拷貝純合擬南芥株系的篩選

將構(gòu)建好的pJIM19-Myc-ZmPHYC1和pJIM19-Myc-ZmPHYC2兩種重組質(zhì)粒分別轉(zhuǎn)入擬南芥野生型Col-0和phyC-2突變體，T1轉(zhuǎn)基因株系草銨膦抗性分離比例表現(xiàn)為3∶1，即為單拷貝插入，自交到T3，得到純合轉(zhuǎn)基因株系。為了確定轉(zhuǎn)基因純合株系的真實(shí)性，利用ZmPHYC1和ZmPHYC2基因特異引物對純合陽性株系進(jìn)行PCR鑒定。陽性轉(zhuǎn)基因植株可見2 kb的條帶(圖4)，而野生型Col-0、phyC-2及陰性植株則無此條帶。

2.4 ZmPHYC1和ZmPHYC2基因在擬南芥中的功能驗(yàn)證

2.4.2ZmPHYC1和ZmPHYC2轉(zhuǎn)基因擬南芥株系在持續(xù)紅光和藍(lán)光下的表型分析 將Col-0、phyC-2、Myc-ZmPHYC1/Col-0(株系#1、#9)、Myc-ZmPHYC2/Col-0(株系#4、#11)分別在黑暗、紅光、遠(yuǎn)紅光和藍(lán)光條件下生長4 d，比較各株系的下胚軸長度(圖6)。在黑暗、遠(yuǎn)紅光條件下，這些株系幼苗的下胚軸長度沒有明顯的差異，表明ZmPHYC1和ZmPHYC2對遠(yuǎn)紅光沒有明顯響應(yīng)。但在紅光條件下，ZmPHYC1和ZmPHYC2轉(zhuǎn)基因株系的下胚軸分別比野生型Col-0短31.8%～42.9%和25.8%～34.7%。值得注意的是，phyC-2突變體在藍(lán)光下表型較弱，其下胚軸比野生型伸長10.4%，ZmPHYC1和ZmPHYC2轉(zhuǎn)基因株系在藍(lán)光條件下下胚軸明顯縮短，它們的下胚軸分別比野生型Col-0短36.0～37.8%和26.3～30.7%。并且無論在紅光還是藍(lán)光下，ZmPHYC1轉(zhuǎn)基因株系下胚軸均短于ZmPHYC2轉(zhuǎn)基因株系。

2.4.3ZmPHYC1和ZmPHYC2轉(zhuǎn)基因擬南芥株系對短日照和長日照的反應(yīng) 將Col-0、phyC-2、Myc-ZmPHYC1/Col-0(株系#1、#9)和Myc-ZmPHYC2/Col-0(株系#4、#11)幼苗分別在短日照、長日照條件下生長6 d，然后比較各株系的下胚軸長度(圖7)。在短日照條件下，ZmPHYC1和ZmPHYC2轉(zhuǎn)基因株系的下胚軸分別比野生型Col-0短41.7%～45.9%和34.4%～35.9%；在長日照條件下，ZmPHYC1和ZmPHYC2轉(zhuǎn)基因株系的下胚軸分別比野生型Col-0短26.2%～30.2%和25.7%～27.9%。無論在短日照還是長日照條件下，ZmPHYC1轉(zhuǎn)基因株系下胚軸均比ZmPHYC2轉(zhuǎn)基因株系短；轉(zhuǎn)基因株系下胚軸長度與野生型Col-0的差距在短日照條件下大于長日照條件下。這些結(jié)果表明，ZmPHYC1和ZmPHYC2響應(yīng)長日照和短日照條件，而且對短日照的響應(yīng)更強(qiáng)烈。另外，在長日照和短日照條件下，與野生型相比，這些轉(zhuǎn)基因擬南芥株系葉柄縮短、葉片肥厚。

2.4.4ZmPHYC1和ZmPHYC2轉(zhuǎn)基因擬南芥株系對避蔭條件的反應(yīng) 將Col-0、phyC-2、Myc-ZmPHYC1/Col-0(株系#1、#9)和Myc-ZmPHYC2/Col-0(株系#4、#11)幼苗分別在正常白光條件下和在人工模擬遮蔭條件下生長，比較各株系的下胚軸長度(圖8)。在正常白光條件下，ZmPHYC1和ZmPHYC2轉(zhuǎn)基因株系的下胚軸分別比野生型Col-0短14.1%～29.3%和29.1%～34.8%；而在人工模擬遮蔭條件下，ZmPHYC1和ZmPHYC2轉(zhuǎn)基因株系的下胚軸分別比野生型Col-0短38.8%～46.8%和11.9%～23.8%。在人工模擬遮蔭條件下，Myc-ZmPHYC1/Col-0株系#9的下胚軸比Myc-ZmPHYC2/Col-0株系#11短30%。可見，ZmPHYC1比ZmPHYC2可以更強(qiáng)烈地抑制植物的避蔭反應(yīng)。

2.4.5ZmPHYC1和ZmPHYC2轉(zhuǎn)化擬南芥幼苗的葉綠素含量分析 Col-0、phyC-2、Myc-ZmPHYC1/Col-0(株系#1、#9)和Myc-ZmPHYC2/Col-0(株系#4、#11)幼苗在持續(xù)紅光下生長4 d，轉(zhuǎn)基因株系幼苗的葉綠素含量比野生型Col-0增加45%～57%(圖9)，暗示ZmPHYC1和ZmPHYC2可以通過增加葉綠素含量來增強(qiáng)擬南芥幼苗的光合能力。

3 結(jié)論與討論

光敏色素是植物主要的紅光與遠(yuǎn)紅光受體，調(diào)控植物的光形態(tài)建成和避蔭性反應(yīng)等。本研究克隆了玉米的2個(gè)PHYC基因，通過系統(tǒng)進(jìn)化分析和結(jié)構(gòu)域分析，發(fā)現(xiàn)玉米PHYC與高粱PHYC進(jìn)化關(guān)系最近，而與麥類和水稻的PHYC進(jìn)化關(guān)系較遠(yuǎn)。本研究還發(fā)現(xiàn)，玉米和高粱的PHYC蛋白聚為一類，小麥、大麥、黑麥、燕麥、二穗短柄草和水稻聚為一類，可見禾本科植物PHYC基因的進(jìn)化至少有2個(gè)分支。ZmPHYC1和ZmPHYC2蛋白與擬南芥、水稻和二穗短柄草對應(yīng)的PHYC蛋白具有相似的結(jié)構(gòu)域，表明PHYC特定的結(jié)構(gòu)域在進(jìn)化中是保守的。本研究發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)紅光下ZmPHYC1和ZmPHYC2不僅能互補(bǔ)擬南芥phyC-2突變體的表型，而且能顯著抑制擬南芥下胚軸伸長。可見，玉米的2個(gè)PHYC基因與擬南芥PHYC基因促進(jìn)紅光下的光形態(tài)建成的功能類似。

在擬南芥遠(yuǎn)紅光信號途徑中，PHYA促進(jìn)光形態(tài)建成，而PHYB以拮抗PHYA的方式來抑制幼苗的去黃化[39-40]。擬南芥PHYC不參與遠(yuǎn)紅光信號途徑[33]。擬南芥的PHYA、PHYB和CRY1被認(rèn)為以功能冗余或者相互疊加的方式參與藍(lán)光信號途徑[40-41]。盡管擬南芥phyC突變體對藍(lán)光反應(yīng)很弱，但是與其他光敏色素一起協(xié)同參與藍(lán)光信號途徑[32]。ZmPHYC1和ZmPHYC2的過量表達(dá)株系，不能響應(yīng)遠(yuǎn)紅光，卻能強(qiáng)烈地響應(yīng)藍(lán)光處理，因此二者在藍(lán)光信號途徑中的作用值得進(jìn)一步研究。盡管擬南芥phyC突變體在持續(xù)的紅光下表現(xiàn)出下胚軸伸長和子葉變小，但是與phyB突變體相比，phyB/phyC雙突變體的黃化反應(yīng)的表型未見明顯差異，可見擬南芥對紅光的反應(yīng)主要由PHYB介導(dǎo)[33]。近期的研究表明，擬南芥、小麥和水稻等植物中的PHYC均能介導(dǎo)幼苗的去黃化反應(yīng)和參與植物開花調(diào)控[33-37]。然而擬南芥和水稻的PHYC不能形成同源二聚體，需要借助PHYB形成異源二聚體從而介導(dǎo)幼苗光形態(tài)建成，但小麥PHYC既能形成異源二聚體，也能形成同源二聚體，在紅光下進(jìn)入細(xì)胞核介導(dǎo)光形態(tài)建成[30,35,37]。本研究結(jié)果表明，ZmPHYC1和ZmPHYC2響應(yīng)各種光質(zhì)及光周期處理，推測二者在玉米光形態(tài)建成和開花期的調(diào)控中起重要作用。

由于植物葉片含有的葉綠素等主要吸收紅光，導(dǎo)致透過上層葉片后的光線中，紅光與遠(yuǎn)紅光比率下降，下層的植物能感受到這種光照的變化，從而觸發(fā)避蔭性反應(yīng)，造成植株徒長、莖稈纖細(xì)、開花提前、易倒伏。莖稈徒長造成的營養(yǎng)再分配可能導(dǎo)致減產(chǎn)，甚至絕收[13]。近些年來，玉米產(chǎn)量有了較大的提升，其中耐密品種做出了重要貢獻(xiàn)[6-8]，目前已選出適合高密植的品種，但絕大部分是增加了對低光的忍耐水平，而非是消除了避蔭性[14]。在人工模擬的避蔭條件下，過量表達(dá)ZmPHYC1和ZmPHYC2的轉(zhuǎn)基因株系均比野生型表現(xiàn)出抑制下胚軸伸長，尤其是ZmPHYC1的轉(zhuǎn)基因株系?？梢?，ZmPHYC1和ZmPHYC2能參與植物的避蔭性調(diào)節(jié)，ZmPHYC1可能起到更關(guān)鍵的作用。另外，過量表達(dá)ZmPHYC1和ZmPHYC2轉(zhuǎn)基因株系在長日照和短日照條件下均能導(dǎo)致葉柄縮短和葉片肥厚，并且可以增加轉(zhuǎn)基因植株的葉綠素含量?？梢姡芯縕mPHYC基因在密植條件下玉米光信號的避蔭反應(yīng)機(jī)制，使玉米株高降低，對培育耐密植、抗倒伏玉米新品種具有重要意義。