安徽师范大学钱叶雄教授课题组在玉米逆境生物学及抗逆基因挖掘方面取得新进展

　　近期，钱叶雄教授课题组在植物科学领域国际知名学术期刊《Frontiers in Plant Science》（IF=6.627，中科院二区TOP期刊）上发表“ZmNAC074, a maize stress-responsive NAC transcription factor, confers heat stress tolerance in transgenic Arabidopsis”和“Genome-Wide Identification and Functional Analysis of Polyamine Oxidase Genes in Maize Reveal Essential Roles in Abiotic Stress Tolerance”两篇研究论文，以及在基因组学领域国际知名学术期刊《BMC Genomics》（IF5=4.931，中科院二区TOP期刊）上发表“Genome-wide Identification and expression Profiling Analysis of Maize AP2/ERF Superfamily Genes Reveal Essential Roles in Abiotic Stress Tolerance”的研究论文。2020级硕士研究生席燕以及2021届硕士毕业生张静分别为论文的第一作者，钱叶雄教授为论文的通讯作者，安徽师范大学作为论文的第一作者及通讯作者单位。

 

　　高温等恶劣环境极大地限制了全球农作物的生长、发育和生产。NAC转录因子是一类重要的转录因子，在植物的非生物逆境胁迫响应中起着关键的调节作用。然而，NAC转录因子在玉米热胁迫反应中的功能尚不清楚。本研究前期鉴定并克隆了一个玉米逆境反应NAC转录因子基因，命名为ZmNAC074。进一步研究表明，ZmNAC074可能编码玉米NAC家族的一个膜结合转录因子（MTF），由517个氨基酸残基组成，C端存在一个跨膜区。此外，ZmNAC074在玉米幼苗中高度表达，并受到各种非生物胁迫的诱导，特别是在高温胁迫下的叶片组织中。进一步通过转基因方法对ZmNAC074进行功能验证，通过表型和生理分析表明，ZmNAC074在转基因拟南芥中的过表达可以调节多种胁迫代谢产物的积累，包括活性氧（ROS）、抗氧化剂、丙二醛（MDA）、脯氨酸、可溶性蛋白、叶绿素和类胡萝卜素的含量的变化，显著提高了植物的耐热能力。实时荧光定量聚合酶链式反应分析表明，在热胁迫条件下，转基因拟南芥中编码抗氧化物清除酶以及HSR和UPR通路反应相关基因的表达水平显著上调，表明ZmNAC074可能编码一个热胁迫正调控因子，激活ROS清除基因和HSR和UPR通路相关基因的表达，从而提高植物在热胁迫条件下的耐热性。总之，ZmNAC074可能在赋予植物耐热性方面发挥重要调控作用，为玉米和其他作物耐热性调控机制研究以及培育抗高温作物新品种提供关键候选基因。该研究成果目前已发表在近期《Frontiers in Plant Scienc》期刊上，文章链接： https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.986628。

 

　　多胺（PA）在植物的生长发育和非生物胁迫中发挥着重要作用。多胺氧化酶（PAO）是黄素腺嘌呤二核苷酸依赖的酶，在多胺的分解代谢中起重要作用。该研究通过全基因组分析方法首次对玉米PAO基因进行了全基因组筛选，鉴定了9个ZmPAO基因，命名为ZmPAO1-9，利用生物信息学方法对其系统发生关系、基因和蛋白结构、顺式作用元件、染色体分布位置及基因复制等方面进行了系统地研究。通过对转录组测序数据分析，构建了玉米ZmPAO基因家族在不同生长发育时期和不同发育组织的全基因组基因表达谱，并通过qPCR方法验证了ZmPAO基因响应高温、干旱和盐胁迫，表明这些基因在这些非生物胁迫反应中可能发挥作用。最后，通过构建过表达ZmPAO6基因的转基因拟南芥验证ZmPAO基因在植物中的调控功能。揭示ZmPAO6的过表达可能通过介导多胺的分解代谢来增强转基因植株的耐热性，从而减少了热胁迫下H2O2和MDA的积累，减缓了叶绿素的降解，表明ZmPAO6可以通过参与多种生理过程来提高转基因植株的耐热性。此外，谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）等抗氧化酶相关基因的表达分析表明，ZmPAO6可能通过调节热胁迫诱导下的H2O2在多胺分解代谢中的积累来提高转基因植株的耐热性。综上所述，该研究首次报道了ZmPAO6基因对植物热胁迫的响应，为进一步揭示ZmPAO基因在玉米生长发育和适应非生物胁迫中的功能和调控机制提供了重要的理论依据。该研究成果目前已发表在近期《Frontiers in Plant Science》期刊上，文章链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/ fpls.2022.950064。

 

　　AP2/ERF转录因子超家族作为植物中最大的转录因子家族之一，参与了多种生物学过程，在植物的生长发育和应对各种逆境胁迫的响应中发挥着重要作用。尽管AP2/ERF超家族基因在许多植物中已被报道，但目前对玉米AP2/ERF基因的结构和功能知之甚少。根据玉米B73基因组的AGPv4版本，鉴定出214个编码ZmAP2/ERF蛋白的基因。根据AP2/ERF结构域的数目及其蛋白氨基酸序列的相似性，鉴定的214个玉米ZmAP2/ERF蛋白被划分为三个不同的家族，分别包括AP2家族（44个）、ERF家族（166个）和RAV家族（4个）。其中，ERF家族被进一步细分为两个不同的亚家族，包括DREB和ERF亚家族，分别含有61和105个成员。此外，进一步地根据系统发育分析，DREB和ERF亚家族成员分别被分为4个（组I-IV）和8个（组V-XII）。通过对这些ZmAP2/ERF基因的外显子-内含子结构特征及其编码的ZmAP2/ERF蛋白的保守蛋白质基序分析，结果与类群划分保持高度一致。启动子分析表明，ZmAP2/ERF基因具有许多胁迫和激素相关的顺式调控元件。基因复制和共线性分析表明，串联或片段复制和纯化选择在3个不同的禾本科植物（玉米、水稻和高粱） AP2/ERF超家族基因之间的进化以及功能分化中发挥重要作用。转录组分析表明，大多数ZmAP2/ERF基因在玉米不同生长发育阶段表现出不同的差异表达模式。此外，对ZmAP2/ERF基因之间的共表达网络以及ZmAP2和ZmERF蛋白之间的蛋白质相互作用进行分析，揭示了玉米AP2/ERF超家族成员之间内在调控关系。此外，进一步通过实时定量聚合酶链式反应证实了27个ZmAP2/ERF基因对3种不同的非生物胁迫的存在响应，表明它们在不同的非生物胁迫响应中具有潜在的调控功能。综上所述，这些研究结果表明玉米ZmAP2/ERF基因在非生物胁迫耐受性中起着重要的调控作用。该研究成果目前已发表在近期《BMC Genomics》期刊上，文章链接：https://doi.org/10.1186/s12864-022-08345-7。

 

　　以上论文得到了国家自然科学基金（31571673）、安徽省高校学科（专业）拔尖人才学术资助项目（gxbjZD2021044）、安徽省学术和技术带头人后备人选资助计划（2020H221）以及重要生物资源保护与利用安徽省重点实验室开放基金（swzy202003）等项目支持。