全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(5): 768−777 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家重点基础研究发展计划 (973 计划 )项目 (2004AA211120 和 2007CB109003), 国家高技术研究发展计划 (863 计划 )项目
(2004AA211120和 2007AA10Z172)资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 王守才，E-mail: wangsc@cau.edu.cn; Tel: 010-62732409
Received(收稿日期): 2008-09-16; Accepted(接受日期): 2009-02-15.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.00768
强优势玉米杂交种雌穗发育期间的基因表达谱动态及重要功能基因
李 波 张登峰 贾冠清 张体付 戴景瑞 王守才*
中国农业大学国家玉米改良中心 / 农业部基因组学与遗传改良重点实验室 / 北京市作物遗传改良重点实验室, 北京 100193
摘 要: 利用基因芯片杂交方法, 检测强优势玉米杂交种(C8605-2×W1445)雌穗发育过程中的基因表达动态, 以期
为进一步研究雌穗发育的分子机制提供证据。在雌穗到达小穗分化期之后 8 d内, 有 671个基因的表达水平发生显著
变化, 主要表现出 4 种不同的表达模式。这些差异表达的基因涉及代谢、发育、刺激应答、细胞信号转导、物质运
输等多个方面。细胞分裂基因、细胞壁结构和修饰蛋白基因在雌穗发育过程中大多表现为上调表达, 可能对雌穗细
胞的分化和果穗性状的形成产生重要影响。蛋白激酶、细胞信号转导以及转录因子基因等上游的信号传输和调控基
因在雌穗的发育中也可能具有重要作用。
关键词: 芯片; 基因表达; 雌穗; 发育; 玉米
Gene Expression Profile and Main Function Genes during Ear Development in
a Highly Heterotic Hybrid of Maize
LI Bo, ZHANG Deng-Feng, JIA Guan-Qing, ZHANG Ti-Fu, DAI Jing-Rui, and WANG Shou-Cai*
National Maize Improvement Center of China / Key Laboratory of Crop Genomics and Genetic Improvement of Agriculture Ministry / Key Labora-
tory of Genetic Improvement of Beijing City, China Agricultural University, Beijing 100193, China
Abstract: The development of ears is mostly responsible for the yield of maize (Zea mays L.), however, the molecular basis is
unclear. To disclose the differential expression genes involved in the development of maize ear and their expression patterns, the
gene expression at genome level of a highly heterotic hybrid (C8605-2×W1445) was detected from ear spikelet differentiation
initiation to the later 8 d using microarrays with approximately 58 000 probes. The result of microarray analysis was verified using
quantitative real-time PCR. A total of 671 genes expressed differentially which consisted of four expression patterns. These genes
were involved in several biological processes, such as metabolism, development, responses to stimulus, cell signal transduction,
and transport. Most genes for cell division, cell wall structure, and the modified protein of cell wall structure were identified to be
upregulated during the ear development. Thus, these genes may play important roles in cell differentiation and formation of agro-
nomic traits in maize ears. Moreover, genes for protein kinase, signal transduction, and transcription factors, which are involved in
signal transduction and regulatory processes, may also take great functions in the development of maize ears.
Keywords: Microarray; Gene expression; Ear; Development; Maize
植物生长发育的本质是其携带的基因在一定时
间、空间上顺序的表达。植物的基因表达一方面受
其内部遗传信息的调控; 另一方面受环境胁迫的影
响[1]。许多具有特定功能的基因只在植物的某种组
织和器官或生长发育的某一阶段特异表达, 而且它
们的异常表达有可能导致新的表型产生 [2-3]。因此,
研究基因的时空表达变化是弄清植物生长发育机制
的重要途径。基因芯片因具有高通量、并行性和自
动化的特点, 已经被广泛应用于植物功能基因组学
的多个研究领域, 如激素反应[4]、防御反应[5]、信号
转导[6]、胁迫应答反应[7]等。在玉米和水稻等禾谷类
作物中, 采用基因芯片技术对种子、花药等器官的
发育以及授粉和受精等过程中基因的表达进行全基
因组分析, 有助于了解植物生长发育的内在调控机
制[8-10]。
目前, 杂种优势形成的分子机理已成为生命科
学领域的研究热点之一。越来越多的研究工作者倾
向于从基因表达角度, 通过比较基因在杂交种与亲
第 5期 李 波等: 强优势玉米杂交种雌穗发育期间的基因表达谱动态及重要功能基因 769


本中的差异表达来阐述杂种优势的形成机理。
Birchler等 [11]认为 , 基因在杂交种中存在加性非加
性。前者是来源于亲本的两个等位基因在杂交种中
以组合方式表达, 在表达水平上与中亲表达水平相
似; 而后者由于等位基因互作或等位基因的异质结
合使基因处于新的反式作用因子系统之下, 使某些
基因的表达与中亲表达值明显不同, 表现非加性方
式。近年来, 采用基因芯片技术来监控基因在玉米
杂交种中表达模式的研究已经取得了较大进展。
Swanson-Wagner等[12]用 cDNA芯片比较了玉米杂交
种和亲本在苗期的基因表达谱, 共发现 1 367 个差
异表达基因, 在杂交种中分别表现出加性、显性、
超显性等多种表达模式。此外, 在玉米幼胚和茎上
部分生组织中也发现了类似的差异表达模式[13-14]。
对基因在玉米杂交种中表达模式的研究将对杂种优
势机理的阐明产生重要的推动作用。
玉米雌穗的生长发育对于籽粒产量的形成具有
重要影响, 研究强优势杂交种雌穗生长发育的分子
机制无疑对高产育种具有重要的理论意义, 并对杂
种优势的进一步阐释具有借鉴意义。然而, 对雌穗
生长发育过程中基因表达的系统研究在国内外尚未
见报道。本研究采用基因芯片技术获得玉米雌穗发
育期间的基因表达谱变化, 并对表达量随着生长发
育发生变化的基因进行表达模式分析, 从中找出重
要的功能基因, 以期发现各种基因在雌穗发育过程
中的表达规律, 从而能在全基因组水平上探讨雌穗
发育的分子机制。
1 材料与方法
1.1 材料及田间试验
采用 12个玉米自交系(表 1), 按照不完全双列杂
交设计组配 33 个杂交组合(由于花期不遇缺失 3 个
组合), 于 2001—2003年将杂交种、亲本以及对照品
种农大 108播于大田进行品种比较试验。采用随机区
组设计, 3 次重复, 成熟期每区随机收获 10 株考种,
检测穗长、秃尖长、穗粗、穗行数、行粒数、百粒
重和单穗粒重 7 个穗部产量性状。采用超标优势和
中亲优势衡量各组合在各性状上的杂种优势表现 ,
HOS(%)= (F1–CK)/CK × 100; MPH(%)= (F1–MP)/
MP × 100; MP = (P1 + P2)/2。式中, HOS为超标(标准
对照品种)优势, MPH为中亲优势, F1、P1和 P2分别
为杂交种及其亲本的性状表现值, CK为标准对照品
种的性状表现值。
根据田间试验的结果, 选取产量杂种优势明显
的杂交种(C8605-2×W1445)用于基因芯片分析。2005
年 5 月在国家玉米改良中心昌平试验站播种该杂交
种, 播种 48 d后, 随机取 2株, 剥取其上部雌穗置光
学显微镜下观察其外部形态, 判断其所处的发育时
期。每隔 2 d观察一次。在雌穗达小穗分化期后第 0、
2、4、6和 8天将幼穗取下, 迅速放入以离心管中液
氮冷冻, 于−80℃超低温冰箱中储存备用。以第 0天
的雌穗样品为参照, 分析各时期的基因表达变化。
1.2 总 RNA的提取和探针标记
用 TRIzol(Invitrogen)试剂, 按操作手册方法提取
玉米雌穗总 RNA。然后用 RNeasy mini spin column试
剂盒(Qiagen, Valencia, CA, USA)对总 RNA进行过
柱纯化。取 5 g纯化后的总 RNA, 以 T7-Oligo(dT)15
(5′-AAACGACGGCCAGTGAATTGTAATACGACTCA
CTATAGGCGCTTTTTTTTTTTTTTTTV-3′, V可以是
G、C或 A)为引物, 用 cDNA Synthesis Kit (TaKaRa,
大连)合成双链 cDNA; 再以 QIAquick PCR Purifi-
cation Kit (Qiagen)纯化。然后在 T7 RNA聚合酶作用
下, 以 cDNA 第二链为模板, 体外转录合成 cRNA
(T7 RiboMAX Express Large Scale RNA Production
System, Promega); 取 2 g 纯化后的 cRNA (RNeasy
Mini Kit, Qiagen), 用 1.5 μL Superscript II反转录酶

表 1 玉米自交系及其系谱
Table 1 Maize inbred lines and their pedigree information
自交系
Inbred line
系谱
Pedigree
自交系
Inbred line
系谱
Pedigree
W227 综 31×5003 Zong 31×5003 W229 P136天然杂株 a P136 nature cross hybrid a
87-1 PN种质 PN germplasm K12 黄早四×维春 Huangzao 4×Weichun
F349 5003×340 W245 P136天然杂株 P136 nature cross hybrid
W1445 齐 31×莱 1029 Qi 31×Lai 1029 SCY-4 Mo17×自 330 Mo17×Zi 330
L87 5003×340 757 (7922×5003)×辽轮 753 (7922×5003)×Liaolun 753
C8605-2 7922×340 CM483 美国杂交种二环系 Second cycle line of an American hybrid
a P136为美国杂交种 78599后代选择系。
a P136 is a selected line of an American hybrid (78599) offspring.
770 作 物 学 报 第 35卷

(200 U μL−1) (Invitrogen), 2 g 9 Random Primer进行
反转录, 用 QIAquick PCR Purification Kit (Qiagen)
纯化产物。最后取 1 g cRNA 反转录产物 , 以 9
Random Primer为引物进行 KLENOW标记, 反应体
系包括 120 μmol L−1 dATP, 120 μmol L−1 dGTP, 120
μmol L−1 dTTP, 60 μmol L−1 dCTP和 40 μmol L−1
Cy-dye (Amersham Pharmacia Biotech, Inc., Piscata-
way, NJ, USA)。用 QIAquick PCR Purification Kit
(Qiagen)纯化除去产物中多余的 Cy5-dCTP、Cy3-
dCTP。
1.3 基因芯片杂交
基因芯片购自美国亚历桑那大学(Maize Oligo
Array Version 1.3)。该芯片含有 57 452条寡核苷酸
序列, 分别点样在两张独立玻片上, 代表约 55 000
个玉米基因及 302 个阳性对照和 472 个阴性对照。
芯片的详细信息可登陆网站 http://www.maizearray.
org获得。
将来源于两个材料的 cDNA 分别用 Cy5、Cy3
标记后, 等量混合溶于 30 L 杂交液中(含 3× SSC,
0.2% SDS, 5×Denhart’s, 25%甲酰胺), 于 42℃与芯片
杂交过夜。杂交结束后, 先在 42℃左右含 0.2% SDS,
2×SSC的液体中洗 5 min, 而后在 0.2×SSC中室温洗
5 min。玻片离心甩干后用于扫描。每次杂交采用相
应的荧光交换试验作为重复。以第 0 天的雌穗样品
为参照, 分析小穗分化期之后第 2、4、6、8天的基
因表达变化, 共使用 8组基因芯片, 进行 16次杂交。
1.4 芯片数据过滤、归一化和统计分析
芯片杂交后用 LuxScan扫描仪(CapitalBio公司)
扫描, 得到 16位的 TIFF图像文件, 将图像文件导入
GenePix Pro 4.0软件(Axon Instruments公司)进行分
析, 得到原始荧光强度信号值。对每一张芯片进行
考察, 手动删除形状不规则、受到污染和荧光背景
值过高的点。扣除背景值的荧光强度值用于下一步
分析。采用 Lowess的方法对数据进行归一化处理[15],
以消除依赖于强度和空间效应所带来的系统误差。
为了正确估计芯片试验中各种影响因子的效应,
对归一化后的数据进行方差分析(ANOVA)。方差分
析所用的线性模型为 yijkg = μ+ Ai + Dj + ADij + Gg +
VGkg + DGjg + AGig +εijkg, 其中 yijkg代表在第 i张芯片
上, 以第 j种染料标记的第 g个基因在样品 k中的信
号强度值; μ代表总体平均数; A、D、G分别代表芯
片、染料和基因的主效应; AD、VG、DG、AG则分
别代表芯片与染料、样品与基因、染料与基因、芯
片与基因的互作效应。然后对基因在样品间表达水
平的差异显著性进行分析, 得到相应的 p 值。为了
克服多重检验所带来的假阳性问题, 采用 Benjamini
和 Hochberg[16]提出的方法调整所得的 p值以控制阳
性结果错误率(FDR)。以上芯片数据过滤、归一化和
方差分析均由基于 R (http://www.r-project.org)统计
环境的扩展包 maanova v1.4.0 (http://www.jax.org/
staff/churchill/labsite/software/Rmaanova/index.html)
完成。采用 Cluster和 Treeview软件对差异表达基因
进行层式聚类分析, 以明确差异基因的表达模式[17]。
1.5 定量 RT-PCR
采用基于 SYBR Green 的荧光实时定量 PCR
(quantitative real-time PCR)验证芯片数据的可靠性。
基因特异性引物由 primer premier5.0 (Premier Bio-
soft International)设计, 引物 Tm值为 56~60℃并且在
引物对之间的差值不超过 2 , ℃ 产物长度 150~300
bp, 通过普通 PCR和 QRT-PCR对引物进行检测, 产
物清晰且特异性好的用于下一步分析(QRT-PCR试
验的引物序列略)。PCR在 DNA Engine Opticon (MJ
Research)上完成, 扩增条件为 95℃变性 3 min; 95℃
30 s, 58℃ 30 s, 72℃ 30 s, 共 40个循环; 72℃延伸 4
min。在 65~98℃缓慢升温阶段绘制熔解曲线。每个
基因进行 3 次平行试验以保证数据的重复性, 并用
Actin (AAB40106/AAB40106)的扩增子作为定量分
析的内部参照[18]。
2 结果与分析
2.1 强优势杂交种的选择
对 12 个玉米自交系所组配的 33 个杂交组合的
7个产量相关性状进行方差分析, 结果表明, 这 7个
产量相关性状在组合间都存在极显著差异, 因此可
以进行杂种优势分析以及强优势杂交种的选择(表
2)。分别以农大 108和每个杂交组合的双亲平均值为
对照, 计算各杂交组合 7个农艺性状的超标优势和中
亲优势 , 以此考察各杂交组合杂种优势的表现程
度。结果发现, 不同杂交组合在这 7个性状上都具有
不同的杂种优势表现(数据未列出)。考虑到单穗粒重
比其他性状更能直接反映杂交种的实际产量水平 ,
因此采用单穗粒重来衡量各杂交种的产量杂种优势
表现程度。在这 33个杂交种中, 单穗粒重的超标优
势介于–39.6%到 16 .5%之间 ; 而中亲优势介于
18.5%到 164.4%之间(表 3)。表明杂交种 C8605-2×
W1445 表现较强的产量杂种优势, 其超标优势达到

第 5期 李 波等: 强优势玉米杂交种雌穗发育期间的基因表达谱动态及重要功能基因 771


表 2 33个杂交组合 7个产量性状的 F-值
Table 2 F-values for seven yield traits of thirty-three hybrids
变异来源
Source
自由度
df
穗长
Ear length
秃尖长
Bare tip length
穗粗
Ear diameter
穗行数
Rows per ear
行粒数
Kernels per row
百粒重
100-kernel
weight
单穗粒重
Kernel weight
per ear
区组 Block 6 10.39** 30.07** 4.94* 2.42 10.12** 3.17 2.99
年份 Year (Y) 2 94.97* 127.86** 46.93* 15.65 100.92** 95.58* 136.42**
组合 Combination (C) 32 17.02** 15.09** 3.38** 16.05** 11.38** 9.47** 12.53**
组合×年份 C × Y 64 3.66** 3.99** 2.00** 6.85** 1.69* 3.44** 2.45**
误差 Error 192
* P < 0.05; ** P < 0.01.

表 3 33个杂交组合的产量杂种优势
Table 3 Yield heterosis of 33 hybrids
杂交种
Hybrid
单穗粒重
Kernel weight per ear (g)
中亲优势
Mid-parent heterosis (%)
超标优势
Heterosis over standard (%)
产量位次
Rank in yield
C8605-2×W1445 234 88.4 16.5 1
L87×W1445 226 114.8 12.1 2
87-1×F349 225 106.6 11.5 3
L87×1145 225 127.0 11.5 4
K12×1145 223 164.4 10.7 5
K12×W1445 218 131.6 8.0 6
757×1145 213 145.9 5.6 7
SC-4×1145 213 123.8 6.0 8
C8605-2×1145 208 86.6 3.2 9
L87×W245 207 82.0 3.9 10
Nongda 108(CK) 201 — 0 11
87-1×W245 198 78.1 –0.4 12
757×W1445 197 101.1 –2.2 13
87-1×D227 193 63.1 –4.2 14
C8605-2×CM483 193 76.0 –4.0 15
C8605-2×F349 192 75.1 –4.6 16
87-1×W1445 191 55.6 –4.9 17
SC-4×W1445 184 63.9 –8.8 18
K12×F349 177 114.9 –12.0 19
SC-4×CM483 173 79.3 –14.4 20
757×F349 171 100.0 –15.5 21
87-1×1145 165 48.7 –18.3 22
C8605-2×D227 165 38.1 –18.2 23
K12×W245 162 97.8 –19.8 24
87-1×CM483 161 47.6 –20.2 25
L87×D227 157 42.8 –22.1 26
L87×F349 151 54.4 –24.9 27
SC-4×W245 144 50.0 –28.6 28
SC-4×D227 136 42.1 –32.4 29
K12×D227 135 42.2 –33.2 30
757×CM483 131 53.4 –35.0 31
757×W245 129 42.5 –35.8 32
757×D227 125 36.6 –37.9 33
C8605-2×W245 121 18.5 –39.6 34
772 作 物 学 报 第 35卷

16.5%, 在所有考察的杂交种中居首位。另外, 该杂
交种也具有较高的中亲优势值 (88.4%), 因此选用
C8605-2×W1445作为下一步基因芯片研究的材料。
2.2 芯片数据分析和质量控制
对获得的原始图像及信号值进行初步考察, 发
现芯片上的阳性对照均有杂交信号产生, 且在各基
因型中的表达不发生显著变化; 而阴性对照及空白
对照均不产生杂交信号。进一步分析还发现, 芯片
上来源于不同荧光通道(Cy5 和 Cy3)的数据以及同一
基因在不同重复之间的荧光强度值具有较高的相关
性(r > 0.9), 说明芯片试验数据较好, 可用于进一步
的数据分析。
基因芯片实验的变异来源于多方面, 包括由遗
传和环境因素所带来的生物学变异和由标记、杂交
等因素带来的技术性变异。在本研究中, 每个材料
在每次杂交中所使用的样品均来源于至少 50 个玉米
上部第一个雌穗, 因此可以有效控制生物学变异所
带来的影响。为了消除杂交过程中的技术性变异 ,
对试验得到的数据进行方差分析(ANOVA), 以正确
估计基因在样品中表达水平, 并通过基因在不同样
品中差异表达的统计测验, 获得基因差异表达的显
著性水平。为了使挑选出的差异表达基因兼具生物
学和统计学意义 , 基因在样品间的 |log2 Ratio|≥1,
并且调整后的 P值<0.05, 则认为是差异表达基因。
2.3 雌穗发育过程中的差异表达基因的数量变化
相对于雌穗达到小穗分化期 0 d 的基因表达情
况, 有 671个基因在小穗分化后的 2、4、6和 8 d发
生明显的表达量变化。而且随着时间的推移, 差异
表达基因的数量有逐渐增加的趋势。在到达小穗分
化期后第 2天, 未发现明显的基因表达变化; 第 4天,
有 16 个基因的表达发生了变化; 第 6 天, 差异表达
基因的数目增至 192个; 至第 8天, 差异表达基因的
数目达到 490个。
2.4 差异表达基因的功能分类
根据Maize Oligonucleotide Array Project注释数
据库(版本4)(http://www.maizearray.org), 对差异表达
基因进行功能注释, 共查询到 464 个 Gene Ontology
分类条目, 这些差异表达基因参与了多个生物学过
程。其中有 113 (24.4%)个基因参与各种代谢过程,
包括蛋白质代谢、核酸代谢、脂类代谢、碳水化合
物代谢等; 99个基因参与刺激应答, 占 21.3%, 包括
热、冷、水分、盐诱导基因以及抗病、创伤反应、
激素刺激的应答基因; 发育相关基因 73个, 占 15.7%;
细胞信号转导基因 28 个, 占 6.0%; 物质运输基因
21(4.5%)个, 包括参与蛋白质、水分、离子、脂质和
糖类运输的基因; 参与生物调控的基因有 46(9.9%)
个, 包括代谢调节、转录调节、细胞周期和光周期
调节以及生物钟调节的相关基因; 此外, 参与细胞
元件构造和生物合成以及细胞分裂的基因有 29 个
和 5个, 分别占 6.3%和 1.1%。
2.5 基因差异表达模式的动态分析
对差异表达基因进行层式聚类分析(图 1), 发现
差异表达基因主要有 4种表达模式(图 2)。相对于雌
穗小穗分化期第 0天, 有 35个基因在雌穗达小穗分
化期后第 6天的表达量下调(第 1类), 126个基因在
这个时期表达量达到最高值(第 2类); 在小穗分化期
后第 8天下调表达的基因有 148个(第 3类); 而上调
表达的基因则有 260个(第 4类)。
在第 1 类基因中有 4 个参与代谢过程, 其中 2
个参与碳水化合物代谢 (TM00015377, putative
beta-amylase; TM00039258, Dhurrinase 1); 另 2个参
与脂类代谢 (TM00018292, beta-amyrin synthase;
TM00043310, patatin-like protein)。
在第 2类基因中有 17个为刺激应答基因, 如高
盐和渗透胁迫应答基因 TM00042477 (P-type AT-
Pase)、抗氧化胁迫基因 TM00014744 (Ras family,
putative)等。10个基因为代谢相关基因, 包括蛋白质
合成相关的 TM00023980 (elongation factor 1-alpha),
脂类代谢相关基因 TM00004347 (putative delta-6-
desaturase)等。9个细胞信号转导基因也在小穗分化
期后第 6天上调表达, 其中包括参与 ABA信号转导
的蛋白激酶基因 TM00016512 (putative serine/
threonine protein kinase), 参与钙信号转导的基因
TM00031906 (putative calcium binding protein)、
TM00028280 (calcium-dependent protein kinase)。此
外 , 还包括与细胞壁生物合成和修饰相关的基因
TM00019529 (putative extensin)、TM00023924 (pu-
tative xyloglucan endotransglycosylase)。
在第 3 类的 148 个基因中, 21 个基因参与各种
代谢过程, 如参与激素代谢的 TM00025048 (Probable
indole-3-acetic acid-amido synthetase), 参与碳水化
合物合成的 TM00026395 (putative endo-1,3(4)-beta-
glucanase), 参与转座的 TM00045164 (putative gag-
pol polyprotein)等。8个基因为转录调控相关基因, 如
TM00021080 (CCAAT-box transcription factor) 、
TM00048110 (putative Dof zinc finger protein)。12个基
第 5期 李 波等: 强优势玉米杂交种雌穗发育期间的基因表达谱动态及重要功能基因 773


因为发育相关基因, 如花发育相关基因 TM00004803
(hypothetical protein), 表皮发育相关基因 TM00015144
(putative outer cell layer homeo domain protein), 细
胞分化相关基因 TM00043506 (hydroxyproline-rich
glycoprotein)等。
在 260 个第 4 类基因中, 12 个为细胞信号转导
相关基因, 其中多数参与激素介导的信号转导过程,
如 TM00022993 (mitogen activated protein kinase 6)、
TM00041831 (serine/threonine kinase)、TM00043103
(Auxin-responsive protein IAA24)等。10个基因为物质
运输相关基因, 包括参与蛋白质运输的 TM00005524
(ATP binding), 参 与 水 分 运 输 的 TM00014309
(membrane intrinsic protein), 参 与 脂 运 输 的
TM00018808 (glycine rich protein 3), 参与离子运输
的 TM00013995 (PgPOR29)等。67 个参与物质代谢
的基因也在小穗分化期后 8 d达到最高表达值, 如蛋
白质分解相关基因 TM00014215 (putative tripeptidyl
peptidase II), 蛋白质折叠相关基因 TM00034301
(Endoplasmin homolog precursor), 翻译起始因子
TM00039232 (putative eIF3e)等。还有 23个生物调控
基因 , 其中 7 个为转录因子 , 如 MYB 转录因子
TM00004101 (utative MYB transcription factor), MADS
转录因子 TM00024709 (putative MADS-domain tran-
scription factor)等。54个刺激应答基因, 如防御反应
基因 TM00027099 (glutathione S-transferase GST 11),
干旱胁迫诱导基因 TM00014309 (membrane intrinsic
protein), 热诱导基因 TM00027650 (putative heat
shock protein)等。此外, 某些参与细胞分裂的基因如
TM00038058(TUA6)、TM00039198 (alpha-tubulin 1)
等也在小穗分化期后 8 d上调表达。
2.6 芯片数据的 QRT-PCR验证
随机挑取 6 个差异表达基因, 分别编码 RNA-
binding protein、Neurofilament triplet M protein、
stem-specific protein、putative phosphoethanolamine
N-methyltransferase和未知功能蛋白, 其表达水平至
少在一个时间点相对于 T0 表现出显著差异。
QRT-PCR 验证结果表明, 由两种方法得到的基因表
达变化的整体趋势一致(表 4), 说明芯片数据可靠并
具有可重复性。
3 讨论
3.1 细胞壁结构和修饰蛋白
在本研究中, 参与细胞结构形成与器官发生的
差异基因大多表现为表达量增加, 其中 2 个细胞壁


图 1 雌穗发育过程中差异表达基因的层式聚类分析
Fig. 1 Hierarchical clustering analysis of differentially ex-
pressed genes during the development of immature ears
图中以 T0时的基因表达值为参照计算基因表达比并经以 2为底
的对数转化。a: T1/T0; b: T2/T0; c: T3/T0; d: T4/T0。T0至 T4
分别表示雌穗进入小穗分化期后第 0、2、4、6和 8天。上调表
达的基因以红色表示, 下调表达的基因以绿色表示。颜色越亮表
示表达量变化越大。
Expression ratios were calculated relative to time point T0 and
converted to log2 scale. lane a; T1/T0; lane b: T2/T0; lane
c: T3/T0; lane d: T4/T0. T0 to T4 denote the time points of 0, 2, 4,
6, and 8 days after spikelet differentiation, respectively.
Up-regulated and down-regulated genes are shown in red and green,
respectively. Larger fold change is shown in brighter color.
774 作 物 学 报 第 35卷



图 2 差异表达基因的表达模式
Fig. 2 Patterns of the genes expressed differentially

表 4 差异表达基因的 QRT-PCR验证
Table 4 Validation for the differentially expressed genes by QRT-PCR
T1/T0

T2/T0

T3/T0

T4/T0
TIGR ID
Microarray QRT-PCR Microarray QRT-PCR Microarray QRT-PCR Microarray QRT-PCR
TM00043365 0.68 –0.43 1.12 1.26 –0.70 –0.63 0.99 0.69
TM00019152 0.30 0.14 0.64 –0.71 –0.99 –0.93 1.21 1.07
TM00015154 –0.04 –0.99 0.06 0.98 2.45 1.34 0.04 0.71
TM00014046 0.57 0.75 1.03 2.22 –0.23 0.92 1.22 2.79
TM00026250 0.05 –0.94 1.89 1.15 0.89 –0.83 2.33 1.30
TM00034341 0.32 0.77 0.08 –0.74 0.36 0.91 1.97 1.03
T0至 T4分别表示雌穗进入小穗分化期后第 0、2、4、6和 8天。表中数据为基因表达比以 2为底的对数转化值。
T0 to T4 denote the time points of 0, 2, 4, 6, and 8 days after spikelet differentiation, respectively. Data in the table are presented as log2 ratios.

结 构 蛋 白 TM00019529 (putative extensin) 和
TM00018808 (glycine rich protein 3)分别在小穗分化
期后第 6天(第 2类)和第 8天(第 4类)后上调表达。
伸展蛋白(extensin)是高等植物细胞壁中一类富含羟
脯氨酸的糖蛋白, 它在细胞壁中通过肽间交联形成
一个独立的网状系统与纤维素网系互为补充, 因而
与次生壁的生长和增加细胞壁的韧性有关。此外 ,
还发现一个细胞壁修饰蛋白木葡聚糖内转葡萄糖基
酶 TM00023924 (xyloglucan endotraglycosylase, XET)
基因也在小穗分化期后第 6 天上调表达。XET 的作
用是切断与重新形成与邻近纤维素微纤丝交联的木
葡聚糖链, 即以木葡聚糖为供体和受体, 把非还原
糖末端转给另一个木葡聚糖[19]。XET的转糖基作用
引起木葡聚糖链的断裂和重排, 可使细胞壁的张力
减小, 使细胞壁膨胀疏松, 从而促进细胞生长[20]。由
于伸展蛋白、XET 和其他一些细胞壁水解酶对于细
第 5期 李 波等: 强优势玉米杂交种雌穗发育期间的基因表达谱动态及重要功能基因 775


胞壁的膨胀疏松可能具有协同作用 [21], 因此
TM00019529和 TM00023924在小穗分化期后第6天
表现共同上调, 可能对玉米果穗体积增大和产量性
状的形成具有重要影响。
3.2 细胞分裂基因
本研究鉴定出 5个差异表达基因与细胞分裂和细
胞骨架形成有关, 其中包括4个微管蛋白(TM00038058,
TM00039198, TM00040263, TM00041679)的编码基
因, 它们全部在小穗分化期后 8 d上调表达。微管是
细胞骨架的组成部分之一, 是真核细胞所独有的并
普遍存在的结构, 在细胞形态、细胞分裂、物质运
输、能量转换、信息传递、细胞分化、细胞伸长及
细胞极性的决定等方面起着重要的作用。微管蛋白
基因的表达具有组织特异性并受发育信号的调控[22]。
不同微管蛋白基因家族成员在细胞分化过程中也表
现不同的表达模式[23]。在玉米小穗分化期后 8 d, 果
穗正处于迅速增大的时期, 此时微管蛋白基因表达
量的显著上升可能会影响雌穗细胞的分裂和伸长 ,
进而促进雌穗的生长发育。
3.3 蛋白激酶和信号转导相关基因
在雌穗发育过程中, 差异表达基因包含多个细
胞信号转导基因, 主要是各种类型的蛋白激酶基因
和其他一些激素应答基因。这些基因参与不同的信
号转导过程, 说明玉米雌穗发育过程受多个信号转
导途径的调控; 而其中有多个参与激素介导的信号
转导过程, 说明激素(包括乙烯、脱落酸、生长素、
赤霉素、茉莉酸)在玉米雌穗发育过程中可能通过一
系列复杂的生理调节机制对雌穗的形态建成施加重
要影响, 进而影响作物的产量等重要农艺性状。
本研究发现, 在鉴定出的差异表达基因中, 蛋
白激酶基因全部表现为上调表达 , 如在小穗分化
期后第 6 天上调表达的钙依赖蛋白激酶基因
TM00028280 (calcium-dependent protein kinase,
CDPK), 在小穗分化期后第 8 天上调表达的促分裂
原活化蛋白激酶基因 TM00022993 (mitogen acti-
vated protein kinase, MAPK), 受体蛋白激酶基因
TM00051846 (receptor protein kinase)等。CDPK是一
类钙依赖钙调素不依赖的蛋白激酶, 它与细胞 Ca2+
信号的进一步传递有密切关系。CDPK 基因的表达
受发育信号的调节[24], 并可能是水稻干旱和盐胁迫
信号的正调节因子, 其过量表达加速了盐或干旱胁
迫应答基因的诱导[25]。MAPK与激素和胁迫应答反
应有关[26], 另有证据表明, MAPK 也参与细胞分裂,
对细胞周期具有调节作用[27]。对此类蛋白激酶基因
内源底物和下游事件的研究, 以及进一步探究它们
所参与的细胞信号转导途径之间的交叉转导作用 ,
将有助于加深对玉米雌穗发育调节机制的理解。
本研究还发现 3 个编码生长素响应蛋白的基因
在雌穗发育过程中发生了表达变化。TM00043103
(Auxin-responsive protein IAA24)在小穗分化期后第
8 天上调表达 , 而 TM00025048 (Auxin-responsive
GH3-like protein 8)和 TM00031129 (Auxin-responsive
protein IAA2)在同时期的表达却受到明显抑制。
Leyser[28]认为, Aux/IAA 蛋白的功能在于竞争性地
和生长素响应因子 ARF 结合形成异源二聚体, 从而
影响生长素响应基因的转录。在生长素信号存在时,
Aux/IAA 蛋白在泛素介导的蛋白降解作用下丰度下
降, 与 ARF的结合减少, 所以 ARF能与生长素响应
基因的启动子元件 ARE 结合, 引起特定基因的转
录。因此, Aux/IAA基因的表达变化将影响其他生长
素响应基因在雌穗发育中的表达, 从而实现对雌穗
发育的调节。
3.4 转录因子
在本研究中, 许多转录因子基因在雌穗发育中
的表达水平发生了显著变化, 并且具有不同的表达
模式, 表现出转录因子调控基因表达的复杂性。这
些转录因子来自于 MADS-box、MYB、AP2/EREBP、
bHLH、bZIP和锌指蛋白等多个转录因子家族, 其中
的 TM00024709 编码一个 MADS-box 转录因子。
MADS-box 基因参与花发育的不同阶段, 起重要的
调控作用。例如, 决定花分生组织的特性及调控花
器官的特性[29], 并能调控开花时间[30]]。另一个差异
表达基因 TM00018321编码一个AP2/EREBP转录因
子。AP2/EREBP转录因子参与调节植物花序分生组
织形成和细胞的生长发育, 如拟南芥AP2/EREBP蛋
白家族的一个成员 AINTEGUMENT 在不同花发育
过程中发挥重要作用, 包括胚珠发育、花器官的起
始和发育等[31]。因此, TM00024709和 TM00018321
等基因可能对小穗分生组织特性具有调节作用, 其
差异表达可能促进了玉米穗分生组织向花分生组织
的转变以及花器官的发育 , 从而推动雌穗的发育
进程。
3.5 胁迫应答基因
两个谷胱甘肽转移酶基因 TM00027099 (glu-
tathione S-transferase GST 11)、TM00031432 (glu-
tathione S-transferase GST 13)在小穗分化期后第 8天
776 作 物 学 报 第 35卷

出现上调表达。GST 与植物的抗逆性有关。在氧化
胁迫下, 可诱导植物 GST基因的表达, 使 GST的含
量增加, 从而提高植物清除活性氧的能力, 增强植
物对氧化胁迫的抵抗能力[32]。此外, 还有 5个热激蛋
白也在小穗分化期后第 8 天表现共同上调表达。有
研究表明热激蛋白对于高等植物耐热力的提高具有重
要作用[33-34], 并与植物耐冷性也有密切联系[35]。在雌
穗发育过程中, 多个胁迫应答基因被诱导表达, 对
提高玉米对干旱、盐渍、冷、热、氧化、渗透胁迫
和病毒入侵等不利环境条件的适应能力和维持雌穗
正常的生长发育具有重要意义。
4 结论
玉米雌穗的发育涉及多个生理生化过程, 是多
种机制综合作用的结果。许多基因在雌穗发育过程
中表现出明显的时空特异性, 其差异表达必然对雌
穗发育产生重要影响 , 并进而影响产量性状的形
成。某些差异表达基因在雌穗发育过程中具有相似
的表达模式, 对此类基因, 特别是某些生物学途径
中关键基因的深入研究, 有助于揭示雌穗发育过程
的基因表达调控机制。
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