高媛　王小利　涂亮　劉鵬飛　郭向陽(yáng)　王安貴　祝云芳　吳迅　陳澤輝

摘要：【目的】深度挖掘不同光敏類(lèi)型自交系間的差異表達(dá)基因，為揭示熱帶玉米種質(zhì)光周期敏感性變異機(jī)理提供理論依據(jù)，同時(shí)為采用分子輔助方法改良熱帶玉米種質(zhì)提供新途徑?！痉椒ā恳詿釒Ч忖g感自交系QR273和光敏感自交系T32為試驗(yàn)材料，通過(guò)人工控制長(zhǎng)日照條件（16 h光/8 h暗）對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行處理，于四葉期采集幼嫩葉片提取總RNA，利用RNA-Seq技術(shù)對(duì)不同光敏類(lèi)型自交系材料進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，同時(shí)結(jié)合生物信息學(xué)分析，篩選出不同光敏類(lèi)型自交系間的差異表達(dá)基因?！窘Y(jié)果】在長(zhǎng)日照條件下，從玉米自交系T32和QR273間共鑒定出6977個(gè)差異表達(dá)基因，其中T32較QR273的上調(diào)表達(dá)基因有3291個(gè)、下調(diào)表達(dá)基因有3686個(gè)。GO功能注釋分析結(jié)果顯示，有24個(gè)應(yīng)答光刺激和應(yīng)答輻射的基因在T32和QR273中表現(xiàn)出顯著差異;此外，有17個(gè)同時(shí)與應(yīng)答光刺激、應(yīng)答輻射、胚后期發(fā)育、光周期、生殖結(jié)構(gòu)發(fā)育、生殖系統(tǒng)發(fā)育、生殖發(fā)育過(guò)程、光周期/開(kāi)花和分生組織營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變相關(guān)的差異表達(dá)基因。KEGG信號(hào)通路富集分析發(fā)現(xiàn)有15個(gè)晝夜節(jié)律通路相關(guān)基因在T32和QR273中表現(xiàn)出顯著差異，其中，Zm00001e030377和Zm00001e023792基因在T32中的表達(dá)量高于QR273，而Zm00001e016746和Zm00001e011193基因在T32中的表達(dá)量低于QR273。【結(jié)論】長(zhǎng)日照條件下光敏型與光鈍型熱帶玉米自交系間的轉(zhuǎn)錄組差異分析共鑒定出6977個(gè)顯著差異表達(dá)基因，包括24個(gè)參與應(yīng)答光刺激和應(yīng)答輻射的差異表達(dá)基因有，17個(gè)同時(shí)與應(yīng)答光刺激、應(yīng)答輻射、胚后期發(fā)育、光周期及分生組織營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變相關(guān)的差異表達(dá)基因，以及15個(gè)與晝夜節(jié)律通路相關(guān)的差異表達(dá)基因。這些基因通過(guò)差異性參與晝夜節(jié)律通路中的成花誘導(dǎo)，導(dǎo)致成花啟動(dòng)途徑不完全相同，可能是熱帶種質(zhì)光周期敏感性變異的關(guān)鍵遺傳基因。

關(guān)鍵詞： 熱帶玉米自交系;光周期;差異表達(dá)基因;長(zhǎng)日照條件;轉(zhuǎn)錄組測(cè)序

中圖分類(lèi)號(hào)： S513.01? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：2095-1191（2022）03-0654-11

Analysis of transcriptome differences between two tropical maize inbred lines planted under long sunshine

GAO Yuan WANG Xiao-li TU Liang LIU Peng-fei GUO Xiang-yang WANG An-gui ZHU Yun-fang WU Xun CHEN Ze-hui

（1Agricultural College， Guizhou University， Guiyang， Guizhou? 550025， China; 2Institute of Upland Crops， Guizhou Academy of Agricultural Sciences， Guiyang， Guizhou? 550006， China; 3Pratacultural Institute， Guizhou Academy of

Agricultural Sciences， Guiyang， Guizhou? 550006， China）

Abstract：【Objective】The differentially expressed genes （DEGs） among different photosensitive inbred lines were explored， so as to provide a theoretical basis for revealing the variation mechanism of photoperiod sensitivity of tropical maize germplasm and a new way of improving tropical maize germplasm by molecular assisted method. 【Method】Tropical germplasm light-insensitive inbred lines of QR273 and light-sensitive inbred line of T32 were used as test materials， which were planted under artificial control conditions of long-days （LD） treatment （16 h light/8 h dark）. In the four leaf stage， young leaves were gathered， and their total RNA was extracted. The transcriptome sequencing of different photosensitive inbred lines was carried out by RNA-Seq technology. At the same time， combined with bioinformatics analysis， the DEGs among different photosensitive inbred lines were screened. 【Result】Under LD conditions， a total of 6977 genes showed differentially expression between lines of T32 and QR273， of which 3291 genes showed up-regulated expression in T32 and 3686 genes showed down-regulated expression in T32. GO functional annotation analysis showed that 24 genes responding to light stimulation and radiation showed significant differences in T32 and QR273 and that there were 17 DEGs related to response to light stimulation and radiation， post embryonic development， photoperiod， reproductive structure development， reproductive system development， reproductive development process， photoperiod or flowering and meristem vegetative to reproductive growth. Enrichment analysis of KEGG signaling pathway showed genes related to circadian rhythm pathway had significant differences in expression between T32 and QR273. The expression of Zm00001e030377 and Zm00001e023792 genes in T32 was higher than that in QR273， while the expression of Zm00001e016746 and Zm00001e011193 genes in T32 was lower than that in QR273.? 【Conclusion】A total of 6977 DEGs are identified by transcriptome difference analysis between photo-sensitive and light-insensitive tropical maize inbred lines under long sunshine conditions， of which 24 DEGs involved in response to light stimulation and radiation， and 17 DEGs related to response to light stimulation， radiation， post embryonic development， photoperiod and the transformation from vegetative growth to reproductive growth of meristem， and 15 DEGs related to circadian rhythm pathway. These genes may be the genetic factors leading to the significant differences in photoperiod sensitivity variation among tropical maize germplasms.CB6E18A6-CA0D-42C0-9C0F-28C54F624F8F

Key words： tropical maize inbred lines; photoperiod; differentially expressed genes; long sunshine conditions; transcriptome sequencing

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （32171981）; Guizhou Province Science and Technology Department （QKHJC〔2020〕1Z09）; Guizhou Province High-level Innovative Talent Cultivation Object Project （〔2018〕5629）; Science and Technology Innovation Project of Guizhou Academy of Agricultural Sciences （〔2022〕03）

0 引言

【研究意義】玉米作為重要的糧食作物之一，在保障國(guó)家糧食安全方面具有重要意義（燕照玲等，2017;曹丹等，2021）。我國(guó)的玉米種植分為東華北、西北、黃淮海及南方玉米生態(tài)區(qū)等，但不同生態(tài)區(qū)域因光溫差異，所需要的玉米種質(zhì)也各不相同（劉世夢(mèng)倪和宋敏，2021）。在我國(guó)黃淮海以北地區(qū)，主要以塘四平頭、旅大紅骨、蘭卡斯特、改良瑞德等溫帶玉米種質(zhì)為主（黎裕和王天宇，2010）;在南方玉米生態(tài)區(qū)，由于病蟲(chóng)害較嚴(yán)重，因此對(duì)具有較高抗性的Suwan、墨白、CIMMMYT、ETO、巴西等熱帶玉米種質(zhì)的需求較大。熱帶玉米種質(zhì)具有籽粒品質(zhì)優(yōu)、抗性強(qiáng)、遺傳多樣性豐富等優(yōu)勢(shì)（劉穎等，2020;周海宇等，2020），在現(xiàn)代玉米育種中的應(yīng)用越來(lái)越多。Suwan作為典型的熱帶玉米種質(zhì)，以其選育自交系如S37和T32等所組配的雜交種在西南地區(qū)已得到大面積推廣應(yīng)用（郭向陽(yáng)等，2016）;但熱帶玉米種質(zhì)存在光周期敏感性強(qiáng)的缺陷，嚴(yán)重影響其在長(zhǎng)日照條件下正常開(kāi)花結(jié)實(shí)，從而限制在不同生態(tài)區(qū)的推廣應(yīng)用（賈小平等，2020;史勇等，2021）。因此，探究長(zhǎng)日照條件下熱帶玉米種質(zhì)光周期變異的遺傳差異，鑒定出具有熱帶背景且光反應(yīng)鈍感和敏感基因，對(duì)于深度揭示熱帶玉米種質(zhì)光周期敏感性變異的遺傳機(jī)制具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】雄花分化作為植物正常開(kāi)花的重要因素，是影響光周期敏感的主要因子，其分化時(shí)期可分為成花誘導(dǎo)、成花啟動(dòng)和花器官發(fā)育等3個(gè)階段（劉莉和祝朋芳，2004），其中成花誘導(dǎo)是植物開(kāi)花的必要步驟，備受植物學(xué)研究者的關(guān)注。任永哲等（2006）通過(guò)比較不同日照條件下玉米的生長(zhǎng)差異，發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)日照條件下玉米四葉期的總?cè)~片數(shù)顯著多于短日照條件;吳連成（2008）以熱帶玉米自交系CML288和溫帶玉米自交系黃早四為材料，評(píng)價(jià)不同日照條件下玉米的光周期敏感時(shí)期，結(jié)果發(fā)現(xiàn)短日照條件下熱帶玉米自交系CML288的光周期敏感時(shí)期在第4～7葉期，而長(zhǎng)日照條件下CML288的光周期敏感時(shí)期在第4～14葉期;周海宇等（2020）研究表明，理想日照時(shí)長(zhǎng)是促進(jìn)植物正?；ㄑ糠只闹匾h(huán)境因子。此外，有學(xué)者利用溫?zé)嵊衩追N質(zhì)的光周期反應(yīng)差異來(lái)研究成花啟動(dòng)的分子調(diào)控機(jī)制。研究表明，長(zhǎng)日照條件下，編碼生物鐘組分的核心振蕩器基因ZmELF4與ZmTOC1共同正向調(diào)節(jié)開(kāi)花促進(jìn)基因ZmCCA1/ZmLHY，且ZmELF4和ZmTOC1基因在夜間呈現(xiàn)表達(dá)高峰后（Alabadí et al.，2001;張少方，2011;Gendron et al.，2012）即促進(jìn)下游生物鐘輸出基因如ZmGI的表達(dá)，致使ZmGI基因在午間出現(xiàn)表達(dá)高峰（唐維等，2014;Lee and An，2015），同時(shí)轉(zhuǎn)錄激活ZmCOL/ZmHd1基因，使其在黃昏時(shí)達(dá)到峰值（Miller et al.，2008;楊爽，2010），從而促進(jìn)植物開(kāi)花。吳連成（2008）研究發(fā)現(xiàn)，8個(gè)光周期敏感基因均表現(xiàn)晝夜表達(dá)節(jié)律，其中ZmTFL1基因?yàn)殚_(kāi)花抑制基因，能抑制玉米的成花誘導(dǎo);Meng等（2011）利用溫?zé)嵊衩鬃越幌祵?duì)ZCN8基因的研究表明，ZCN8基因是唯一具有成花活性的基因，而開(kāi)花抑制基因ZmCCT、ZmCCT9和ZmCCT10能負(fù)反饋調(diào)節(jié)ZCN8基因表達(dá)，進(jìn)而抑制植物開(kāi)花;Jin等（2018）以溫帶玉米自交系B73為材料對(duì)ZmCOL3基因的研究表明，ZmCOL3是玉米開(kāi)花抑制因子，在不同光照條件下過(guò)量表達(dá)ZmCOL3基因可延遲開(kāi)花約4 h，該基因的表達(dá)能反式激活ZmCCT基因的轉(zhuǎn)錄或干擾晝夜節(jié)律，從而抑制植物開(kāi)花?？梢?jiàn)，不同光敏感基因均表現(xiàn)出晝夜表達(dá)及互相調(diào)控的規(guī)律，其研究結(jié)果為深度揭示玉米光周期敏感性變異提供了科學(xué)依據(jù)。【本研究切入點(diǎn)】目前，Suwan玉米種質(zhì)在現(xiàn)代玉米育種中的重要性日趨凸顯，但對(duì)其光周期敏感性變異的遺傳研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以熱帶玉米Suwan種質(zhì)選育的骨干玉米自交系T32（光敏感）和QR273（光鈍感）為材料，基于RNA-Seq技術(shù)對(duì)長(zhǎng)光照條件下的玉米材料進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，深度挖掘不同光敏類(lèi)型自交系間的差異表達(dá)基因，為揭示熱帶玉米種質(zhì)光周期敏感性變異機(jī)理提供理論依據(jù)，同時(shí)為采用分子輔助方法改良熱帶玉米種質(zhì)提供新途徑。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

供試材料T32和QR273均選自熱帶玉米種質(zhì)Suwan 1號(hào)群體，由貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱糧研究所提供。T32表現(xiàn)出強(qiáng)光敏感特性（光敏指數(shù)：株高46.35%，穗位高50.67%），QR273表現(xiàn)出光鈍感特性（光敏指數(shù)：株高3.82%，穗位高22.22%）。AxyPrep總RNA小量制備試劑盒（AXYGEN）購(gòu)自貴州春滿(mǎn)谷生物科技有限公司，GoScriptTM Reverse Transcription System （Promega）和GoTaq? qPCR Master Mix （Promega）試劑盒購(gòu)自貴州明涵生物科技有限公司。主要儀器設(shè)備：移液器（德國(guó)Eppendorf公司），高速冷凍離心機(jī)（美國(guó)Beckman公司），NanoDrop One型超微量紫外分光光度計(jì)（美國(guó)Thermo公司），反轉(zhuǎn)錄儀（美國(guó)BIO-RAD公司），CFX96 Real-time PCR Detection System（美國(guó)BIO-RAD公司），DW-HL540型超低溫冷凍儲(chǔ)存箱（中科美菱科技股份有限公司），JN-GH-01型人工智能氣候室（江南寧波儀器廠）。CB6E18A6-CA0D-42C0-9C0F-28C54F624F8F

1. 2 試驗(yàn)方法

2020年7月將T32和QR273種植于貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院草業(yè)研究所人工氣候室（溫度25 ℃，濕度40%～50%，光照強(qiáng)度4800～6000 lx），長(zhǎng)光照條件為16 h光照/8 h黑暗處理。玉米四葉期時(shí)，取3片幼嫩葉片等量混合，3個(gè)重復(fù)，液氮速凍。將葉片樣品分成2份，分別用于轉(zhuǎn)錄組分析（委托武漢愛(ài)基百客公司完成）和實(shí)時(shí)熒光定量PCR驗(yàn)證。總RNA提取參照AxyPrep總RNA小量制備試劑盒（AXYGEN）說(shuō)明進(jìn)行操作，然后根據(jù)GoScriptTM Reverse Transcription System （Promega）試劑盒說(shuō)明反轉(zhuǎn)錄合成cDNA。

1. 3 實(shí)時(shí)熒光定量PCR驗(yàn)證

基于轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析結(jié)果，挑選7個(gè)候選基因進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR驗(yàn)證。反轉(zhuǎn)錄合成的cDNA經(jīng)5倍稀釋后作為模板，以玉米管家基因Zm18S為內(nèi)參基因，設(shè)3次重復(fù)。按照GoTaq? qPCR Master Mix試劑盒說(shuō)明進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR擴(kuò)增，反應(yīng)體系20.0 μL：正、反向引物（表1）各0.3 μL，cDNA模板2.0 μL，ddH₂O 7.4 μL，SYBR Mix 10.0 μL。擴(kuò)增程序：96 ℃預(yù)變性6 min;96 ℃ 30 s，55 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s，進(jìn)行45個(gè)循環(huán);72 ℃讀取熒光值。采用2-ΔCt法換算目的基因相對(duì)表達(dá)量（王亞麗等，2021），并以Excel 2016進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及制圖。

2 結(jié)果與分析

2. 1 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序質(zhì)量分析結(jié)果

6份玉米葉片樣品轉(zhuǎn)錄組測(cè)序獲得的Clean reads介于47024638～56965124條，Clean bases均在6.90 Gb以上，Q30均高于93.00%，GC含量介于57.94%～60.61%（表2）。各樣品中比對(duì)到玉米參考基因組的Clean reads占總Clean reads的87.06%～88.47%，在玉米參考基因組中呈唯一比對(duì)的Clean reads占總Clean reads的83.38%～84.33%，而在玉米參考基因組中獲得完美匹配的Clean reads占總Clean reads的77.87%～78.68%，表明轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，可用于后續(xù)研究。

2. 2 差異表達(dá)基因篩選結(jié)果

長(zhǎng)日照條件下，在T32和QR273間共篩選獲得6977個(gè)差異表達(dá)基因（圖1），其中，T32較QR273的上調(diào)表達(dá)基因有3291個(gè)，下調(diào)表達(dá)基因有3686個(gè)。

2. 3 差異表達(dá)基因GO功能注釋分析結(jié)果

GO功能注釋分析結(jié)果（圖2）顯示，在T32與QR273間的6977個(gè)差異表達(dá)基因分別注釋到生物學(xué)過(guò)程（Biological process）、細(xì)胞組分（Cellular component）及分子功能（Molecular function）三大功能分類(lèi)，其中，生物學(xué)過(guò)程主要涉及細(xì)胞過(guò)程（Cellular process）、代謝過(guò)程（Metabolic process）及應(yīng)答刺激（Response to stimulus）等，細(xì)胞組分主要涉及細(xì)胞（Cell）、細(xì)胞部分（Cell part）及細(xì)胞器（Organelle）等，分子功能主要涉及催化活性（Catalytic activity）、粘合物（Binding）、運(yùn)輸活性（Transporter activity）及轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)活性（Transcription regulator activity）等。以光周期相關(guān)差異表達(dá)基因所參與且排名前20的生物學(xué)過(guò)程進(jìn)行富集分析，結(jié)果（圖3）顯示，在T32與QR273間，參與應(yīng)答光刺激和應(yīng)答輻射的差異表達(dá)基因最多，為24個(gè);參與胚胎后發(fā)育的差異表達(dá)基因有22個(gè);參與生殖結(jié)構(gòu)發(fā)育、生殖系統(tǒng)發(fā)育及生殖發(fā)育過(guò)程的差異基因有20個(gè);參與營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的差異基因有15個(gè)。經(jīng)Peak關(guān)聯(lián)基因分析，結(jié)果（圖4）顯示，有17個(gè)同時(shí)與應(yīng)答光刺激、應(yīng)答輻射、胚后期發(fā)育、光周期、生殖結(jié)構(gòu)發(fā)育、生殖系統(tǒng)發(fā)育、生殖發(fā)育過(guò)程、光周期/開(kāi)花和分生組織營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變相關(guān)的差異表達(dá)基因;有6個(gè)與晝夜節(jié)律相關(guān)的差異表達(dá)基因;有2個(gè)同時(shí)與應(yīng)答光刺激、應(yīng)答輻射、胚后期發(fā)育、光周期、生殖結(jié)構(gòu)發(fā)育、生殖系統(tǒng)發(fā)育、生殖發(fā)育過(guò)程、光周期/開(kāi)花、分生組織營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變和晝夜節(jié)律相關(guān)的差異表達(dá)基因;有2個(gè)同時(shí)與應(yīng)答光刺激、應(yīng)答輻射和晝夜節(jié)律相關(guān)的差異表達(dá)基因;有2個(gè)同時(shí)與應(yīng)答光刺激、應(yīng)答輻射和胚后期發(fā)育相關(guān)的差異表達(dá)基因;有1個(gè)同時(shí)與應(yīng)答光刺激、應(yīng)答輻射、胚后期發(fā)育、光周期、生殖結(jié)構(gòu)發(fā)育、生殖系統(tǒng)發(fā)育和生殖發(fā)育過(guò)程相關(guān)的差異表達(dá)基因。

2. 4 差異表達(dá)基因KEGG信號(hào)通路富集分析結(jié)果

KEGG信號(hào)通路富集分析結(jié)果（圖5）顯示，在T32與QR273間的6977個(gè)差異表達(dá)基因分別富集到層次結(jié)構(gòu)（Brite hierarchies）、細(xì)胞過(guò)程（Cellular processes）、環(huán)境信息處理（Environmental information processing）、遺傳信息處理（Genetic information processing）和新陳代謝（Metabolism）五大通路途徑，其中，層次結(jié)構(gòu)通路主要涉及家族：信號(hào)和細(xì)胞過(guò)程（Families：Signaling and cellular processes）、蛋白家族：代謝（Protein families：Metabolism）和蛋白家族：遺傳信息處理（Protein families：Genetic information processing），細(xì)胞過(guò)程主要涉及運(yùn)輸和分解代謝（Transport and catabolism）、細(xì)胞群落原核生物（Cellular community-prokaryotes）及細(xì)胞生長(zhǎng)死亡（Cell growth and death）等，環(huán)境信息處理主要涉及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（Signal transduction）和膜運(yùn)輸（Membrane transport）2個(gè)通路途徑，遺傳信息處理主要涉及翻譯（Translation）、轉(zhuǎn)錄（Transcription）及復(fù)制和修復(fù)（Replication and repair）等通路途徑，新陳代謝主要涉及能量代謝（Energy metabolism）、碳水化合物代謝（Carbohydrate metabolism）及氨基酸代謝（Amino acid metabolism）等通路途徑。同時(shí)，以光周期相關(guān)的差異表達(dá)基因所參與的通路途徑進(jìn)行富集分析，結(jié)果（圖6）顯示，光周期相關(guān)差異表達(dá)基因主要富集在8個(gè)通路途徑中，其中有15個(gè)晝夜節(jié)律差異表達(dá)基因、3個(gè)泛素介導(dǎo)的蛋白水解基因及3個(gè)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白加工差異表達(dá)基因達(dá)極顯著差異水平;此外，有5個(gè)分別參與α-亞麻酸代謝、氨基酸和核苷酸糖代謝、苯丙素生物合成、淀粉和蔗糖代謝、植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因在T32和QR273中無(wú)顯著差異。CB6E18A6-CA0D-42C0-9C0F-28C54F624F8F

經(jīng)Peak關(guān)聯(lián)基因分析結(jié)果（圖7）顯示，在T32與QR273間的6977個(gè)差異表達(dá)基因中有11個(gè)與晝夜節(jié)律相關(guān)的差異表達(dá)基因;有3個(gè)與晝夜節(jié)律和編碼泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)水解通路途徑相關(guān)的差異表達(dá)基因參;有3個(gè)參與植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的差異表達(dá)基因;有1個(gè)編碼α-亞麻酸代謝的差異表達(dá)基因;有1個(gè)同時(shí)參與在氨基糖和核苷酸代謝及淀粉和蔗糖代謝的差異表達(dá)基因;有1個(gè)同時(shí)參與泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)水解和植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的差異表達(dá)基因;有1個(gè)參與苯丙烷生物合成的差異表達(dá)基因。

2. 5 光周期相關(guān)基因表達(dá)差異分析結(jié)果

基因表達(dá)差異分析（logFC：2個(gè)樣品間的表達(dá)量比值）結(jié)果顯示，15個(gè)光周期相關(guān)差異表達(dá)基因在玉米自交系T32與QR273間的表達(dá)同樣存在顯著差異（圖8）。其中，下調(diào)表達(dá)基因?yàn)閆m00001e015122 （TOC1;logFC：1.77354）、Zm00001e008226（TOC1;logFC：1.26039）、Zm00001e022997（TOC1;logFC：1.69316）、Zm00001e012030（PHYC2;logFC：1.03377）、Zm00001e002655（COP1;logFC：3.24929）、Zm0000- 1e016746（HY5;logFC：1.48346）、Zm00001e011193（FKF1;logFC：1.21325）和Zm00001e025454（PIF3;logFC：2.45599）;上調(diào)表達(dá)基因?yàn)閆m00001e005499（PHYA;logFC：1.57792）、Zm00001e041007（HY5;logFC：1.44814）、Zm00001e030377（COP1;logFC：5.91744）、Zm00001e027418（FT;logFC：3.96988）、Zm00001e023792（COP1;logFC：1.11024）、Zm0000- 1e021724（CCA1、LHY;logFC：1.61528）和Zm0000- 1e035953（PRR3、PRR5、PRR7;logFC：1.42903）。

2. 6 實(shí)時(shí)熒光定量PCR驗(yàn)證結(jié)果

實(shí)時(shí)熒光定量PCR驗(yàn)證結(jié)果（圖9）顯示，在長(zhǎng)日照條件下，ZmTOC1、ZmFKF1和ZmPIF3基因在T32中的相對(duì)表達(dá)量顯著低于QR273（P<0.05，下同），而ZmPHYA1和ZCN8基因在T32中的相對(duì)表達(dá)量顯著高于QR273，ZmCCA1和ZmPHYA2基因在T32中的相對(duì)表達(dá)量極顯著高于QR273（P<0.01），與轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果一致，說(shuō)明轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)可靠性較高。

3 討論

玉米四葉期是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，也是成花誘導(dǎo)的開(kāi)始時(shí)期，與成花啟動(dòng)的分子調(diào)控機(jī)制不完全相同。本研究結(jié)果表明，在長(zhǎng)日照條件下，從光敏感自交系T32和光鈍感自交系QR273間共檢測(cè)到6977個(gè)差異表達(dá)基因，主要參與生物學(xué)過(guò)程、細(xì)胞組分和分子功能，其中參與生物學(xué)功能的差異表達(dá)基因最多。KEGG信號(hào)通路富集分析結(jié)果顯示，這些差異表達(dá)基因主要參與層次結(jié)構(gòu)、細(xì)胞過(guò)程、環(huán)境信息處理、遺傳信息處理及新陳代謝等五大信號(hào)通路途徑，其中參與代謝活動(dòng)的差異表達(dá)基因最多。GO功能注釋分析發(fā)現(xiàn)，有24個(gè)參與應(yīng)答光刺激和應(yīng)答輻射的基因在T32與QR273中表現(xiàn)出顯著差異，且有17個(gè)同時(shí)與胚后期發(fā)育、光周期、分生組織營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變的差異表達(dá)基因，與周金龍（2016）、任芹勇（2019）的研究結(jié)果相似。此外，本研究結(jié)果與T32和QR273的田間表現(xiàn)較一致，即T32表現(xiàn)為在長(zhǎng)日照條件下光敏感，不能正常開(kāi)花結(jié)實(shí);QR273則表現(xiàn)為光鈍感，在長(zhǎng)日照條件下仍然能正常開(kāi)花結(jié)實(shí)（劉穎等，2020），故推測(cè)T32與QR273間的差異表達(dá)基因是導(dǎo)致其光周期差異的重要因子。

ZmCCA1基因是玉米生物鐘核心振蕩器的關(guān)鍵基因，是擬南芥CCA1基因的同源基因，在清晨的表達(dá)水平達(dá)峰值，能與LHY基因相互作用形成負(fù)反饋環(huán)，共同抑制TOC1基因表達(dá);TOC1基因又是CCA1和LHY基因的促進(jìn)因子，夜晚時(shí)分CCA1和LHY基因的表達(dá)量降低，對(duì)TOC1基因的抑制作用減弱，因此，TOC1表達(dá)量的增加從而在凌晨促進(jìn)CCA1和LHY基因表達(dá)，形成負(fù)反饋調(diào)節(jié)環(huán)（邢國(guó)芳等，2011）。ZmGI基因是玉米生物鐘重要的輸出基因，長(zhǎng)日照條件下能與FKF1基因形成復(fù)合體在光照結(jié)束時(shí)達(dá)峰值，泛素化降解CDFs后轉(zhuǎn)錄激活下游轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因，從而促進(jìn)植物開(kāi)花（劉玲，2014）。PRR亞族屬于CCT結(jié)構(gòu)域基因家族，影響植物的開(kāi)花，CCA1和LHY基因同時(shí)轉(zhuǎn)錄激活PRR9、PRR7和PRR5基因，而在PRR5基因突變體中PRR9和PRR7基因的表達(dá)量顯著降低，同時(shí)負(fù)調(diào)控CDF1基因，并抑制CCA1和LHY基因表達(dá)，致使生物鐘縮短，PRR9基因或PRR7基因突變則導(dǎo)致生物鐘延長(zhǎng)（李劍峰等，2019）。本研究結(jié)果表明，多數(shù)光周期相關(guān)基因在光鈍感自交系和光敏感自交系間的表達(dá)存在顯著差異，且表達(dá)方向不同。其中Zm00001e015122、Zm00001e008226、Zm00001e022997、Zm00001e012 030、Zm00001e002655、Zm00001e016746、Zm0000-1e011193和Zm00001e025454基因在T32中呈下調(diào)表達(dá)，Zm00001e00-5499、Zm00001e041007、Zm0000-1e030377、Zm00001e027418、Zm00001e023792、Zm00001e021724和Zm00001e035953基因在T32中呈上調(diào)表達(dá)，可能與每個(gè)基因在應(yīng)答光刺激過(guò)程中所扮演的角色不同存在關(guān)聯(lián)。如COP1作為一種E3泛素化連接酶，能介導(dǎo)擬南芥光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中HY5等正向調(diào)控因子的泛素化降解，從而影響植株幼苗的光形態(tài)建成、花青素合成及開(kāi)花等生物學(xué)功能。Zm00001e030377和Zm00001e023792基因均屬于COP1家族基因，編碼COP1，在光敏感自交系T32中的相對(duì)表達(dá)量顯著高于QR273，從而延遲開(kāi)花。酵母雙雜試驗(yàn)結(jié)果證明，COP1負(fù)調(diào)控HY5，而HY5是堿性亮氨酸拉鏈（bZIP）轉(zhuǎn)錄因子家族成員之一，可促進(jìn)植物光形態(tài)建成;Zm00001e016746基因編碼HY5轉(zhuǎn)錄因子，且在T32中的相對(duì)表達(dá)量顯著高于QR273，從而延遲開(kāi)花，與駱倩（2014）、崔連花等（2021）的研究完全一致。F-box蛋白FKF1屬于ZTLs藍(lán)光受體家族，能與GI相互作用形成復(fù)合體，抑制CDF1結(jié)合在CO蛋白上，從而促進(jìn)開(kāi)花。Zm0000-1e011193基因編碼FKF1蛋白，在T32中的相對(duì)表達(dá)量低于QR273，故延遲開(kāi)花，與楊敏等（2021）的研究結(jié)果一致。這與T32在長(zhǎng)日照條件下不能正常結(jié)實(shí)，而QR273在長(zhǎng)日照條件下可正常結(jié)實(shí)的表型完全一致，為進(jìn)一步揭示熱帶玉米自交系光周期成花誘導(dǎo)分子調(diào)控機(jī)制及后續(xù)的熱帶玉米種質(zhì)光周期遺傳改良提供了參考依據(jù)。CB6E18A6-CA0D-42C0-9C0F-28C54F624F8F

4 結(jié)論

長(zhǎng)日照條件下光敏型與光鈍型熱帶玉米自交系間的轉(zhuǎn)錄組差異分析共鑒定出6977個(gè)顯著差異表達(dá)基因（上調(diào)表達(dá)基因3291個(gè)，下調(diào)表達(dá)基因3686個(gè)），包括24個(gè)參與應(yīng)答光刺激和應(yīng)答輻射的差異表達(dá)基因有，17個(gè)同時(shí)與應(yīng)答光刺激、應(yīng)答輻射、胚后期發(fā)育、光周期及分生組織營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變相關(guān)的差異表達(dá)基因，以及15個(gè)與晝夜節(jié)律通路相關(guān)的差異表達(dá)基因。這些基因通過(guò)差異性參與晝夜節(jié)律通路中的成花誘導(dǎo)，導(dǎo)致成花啟動(dòng)途徑不完全相同，可能是熱帶種質(zhì)光周期敏感性變異的關(guān)鍵遺傳基因。

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（責(zé)任編輯 蘭宗寶）CB6E18A6-CA0D-42C0-9C0F-28C54F624F8F