玉米开花基因ZmCOL3启动子的克隆及功能分析

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玉米光周期敏感是调控其开花期的一个重要因素,光周期敏感性的存在严重限制了热带、亚热带玉米种质在温带地区的利用。近期有研究者发现ZmCOL3是玉米开花期光周期调控网络中一个重要的功能基因,自然群体中该基因编码区无显著差异,但在启动子区存在两种等位基因的遗传变异,推测启动子区域的大片段变异是影响ZmCOL3生物学功能重要选择性靶点之一。为此本研究从热带血缘玉米材料CIMBL119和温带血缘玉米材料B73中克隆得到ZmCOL3启动子1717bp和2000bp序列,分别命名为ZmCOL3pro217和ZmCOL3pro551,并通过生物信息学分析、植物表达载体构建、荧光定量PCR、酶联免疫吸附剂测定以及GUS组织化学染色等研究方法评估两种启动子的启动效率和启动基因表达的时空特异性。具体研究结果如下:1.克隆ZmCOL3pro217和ZmCOL3pro551两种启动子,序列比对表明:启动子区域存在217bp/551bp的碱基差异;生物信息学分析表明:两种启动子均含有分生组织特异性、光响应和胁迫响应等多个顺式作用元件,预测ZmCOL3启动子可能具有组织特异性,并通过响应光和胁迫反应参与玉米开花调控。2.对18个自交系(来源于热带和温带各9个)叶片中ZmCOL3基因平均表达量进行了测定,以评估两种启动子驱动不同地域玉米种质资源中ZmCOL3基因表达。结果表明:ZmCOL3pro217和ZmCOL3pro551均具有启动子活性,但前者驱动ZmCOL3的平均表达量是后者的1.1倍。3.利用gus报告基因的启动子测试系统,开展两种启动子的组织特异性和光周期节律性等研究。结果表明:(1)两种启动子受光周期诱导表达存在显著差异。长日照条件下,ZmCOL3pro217驱动gus高表达,而ZmCOL3pro551驱动gus表达量较低;(2)两种启动子驱动gus表达组织特异性存在显著差异。ZmCOL3pro217驱动gus基因在根和叶器官中高表达,而ZmCOL3pro551驱动gus基因仅在根器官中高表达;(3)光响应诱导方面,长日照条件下ZmCOL3pro217表现出更强的光诱导节律性,而ZmCOL3pro551表达量低,几乎不受光信号诱导。综上所述,本研究证实ZmCOL3pro217与ZmCOL3pro551两种启动子驱动基因表达量、组织特异性和光周期节律性方面存在显著差异,揭示了ZmCOL3启动子区域的大片段变异是影响ZmCOL3生物学功能重要分子靶点,该位点很可能是玉米由热带低纬度到温带高纬度地区人工选育的结果。
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