王程澤，張燕，付偉，賈京哲，董金皋，申珅，郝志敏

玉米基因家族生物信息學(xué)及表達(dá)模式分析

1河北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/華北作物改良與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省農(nóng)業(yè)微生物生物信息利用技術(shù)創(chuàng)新中心/河北省植物生理與分子病理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071000；2邯鄲學(xué)院，河北邯鄲 056005

【目的】對(duì)玉米1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸氧化酶基因家族進(jìn)行全基因組鑒定，分析其在玉米不同器官和不同發(fā)育時(shí)期以及響應(yīng)外源激素和病菌侵染中的表達(dá)模式，為明確玉米基因家族功能打下基礎(chǔ)。【方法】利用生物信息學(xué)方法，在玉米B73自交系基因組中鑒定，對(duì)其基因結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)理化性質(zhì)、家族成員間的親緣關(guān)系以及保守基序進(jìn)行分析，利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR（real-time fluorescence quantitative PCR，qRT-PCR）技術(shù)分析基因家族的表達(dá)模式。【結(jié)果】除ZmACO11外，ZmACO家族成員均具有Fe2+離子結(jié)合位點(diǎn)和底物抗壞血酸結(jié)合位點(diǎn)。系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，與在同一分支，親緣關(guān)系較近，Bootstrap值達(dá)98。基因表達(dá)分析表明，、、、在各發(fā)育時(shí)期均活躍表達(dá)，且在葉片中呈優(yōu)勢(shì)表達(dá)，因此選擇上述6個(gè)基因進(jìn)行下一步檢測(cè)。噴施乙烯利后，上述6個(gè)基因的表達(dá)均有所波動(dòng)，其中的表達(dá)量受影響較大，變化幅度在8倍左右。在乙烯利處理的0—24 h內(nèi)這6個(gè)基因的表達(dá)量存在波動(dòng)，但在處理后24 h，6個(gè)基因的表達(dá)量均接近0。水楊酸處理后，的表達(dá)量受影響較大，變化倍數(shù)在2倍左右。其他基因的表達(dá)量在處理后24 h均接近0。、在3—12 h的表達(dá)量存在波動(dòng)，、、表達(dá)量呈下調(diào)趨勢(shì)。在響應(yīng)生物脅迫方面，接種玉米大斑病菌（）后，的表達(dá)量變化幅度最大，在接種后第10天，這兩個(gè)基因的表達(dá)量分別升至對(duì)照組的50和60倍。接種玉米小斑病菌（）后，的表達(dá)量變化幅度較大，變化倍數(shù)在40—90倍。接種立枯絲核菌（）后，、表達(dá)量變化幅度最大，在病菌接種的第3天達(dá)到200倍?！窘Y(jié)論】、、、在玉米生長發(fā)育過程中表達(dá)變化最活躍；施加外源乙烯利和水楊酸可以對(duì)的表達(dá)水平造成顯著影響。病菌侵染玉米后的表達(dá)水平產(chǎn)生顯著變化，與生物脅迫應(yīng)答關(guān)系密切。

玉米基因家族；實(shí)時(shí)熒光定量PCR；基因表達(dá)；乙烯利；水楊酸；玉米大斑病菌；玉米小斑病菌；立枯絲核菌

0 引言

【研究意義】玉米（）是世界上重要的糧食作物之一。生物與非生物脅迫是影響玉米健康生長的主要問題，提高其抗逆能力已成為玉米產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效的迫切需求[1]。乙烯是在植物中第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的氣體激素，其調(diào)控植物種子休眠、萌發(fā)、開花、營養(yǎng)生長、果實(shí)成熟和葉片衰老等生理過程[2-3]，在抵御生物和非生物脅迫中也發(fā)揮重要作用[4]。在高等植物中，乙烯的生物合成前體是甲硫氨酸，在S-腺苷甲硫氨酸合成酶（SAMS）催化下合成S-腺苷甲硫氨酸（SAM），在1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸合酶（ACS）作用下合成1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（ACC），最后經(jīng)過1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸氧化酶（ACO）催化生成乙烯[5]。ACO是非血紅素鐵離子氧化酶家族中的一員，是乙烯生物合成途徑中的限速酶[6]。明確在玉米響應(yīng)逆境脅迫中的表達(dá)模式，可加深對(duì)乙烯與玉米抗病性之間關(guān)系的理解，為挖掘玉米抗性資源打下基礎(chǔ)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】ACO最初由Mattoo等發(fā)現(xiàn)，并將其命名為乙烯形成酶（EFE）[7]。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)ACO起作用時(shí)需要抗壞血酸鹽和O2作為輔助底物，同時(shí)還需要Fe2+和CO2作為輔助因子，所以更名為ACO（ACC氧化酶）[8]。首次被克隆是在番茄（）中[9]，隨后，在桑樹（）、甜瓜（）、煙草（）、擬南芥（）等多種植物中也被克隆，并開展了的全基因組鑒定、表達(dá)以及生物學(xué)特性的分析[10-11]，但這些研究主要圍繞果實(shí)開展。在楊樹（）中過表達(dá)可導(dǎo)致楊樹幼苗變矮[12]。在棉花（spp.）中發(fā)現(xiàn)表達(dá)上調(diào)誘導(dǎo)棉花纖維細(xì)胞的伸長[13]。對(duì)旱柳（）的研究證實(shí)，在林木莖的生長中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[14]。有研究表明，ACO是由多基因家族編碼，不同成員在植物的時(shí)空表達(dá)、轉(zhuǎn)錄和翻譯水平上呈現(xiàn)出差異[15]。菠蘿（）、蜻蜓鳳梨（）均可受外源乙烯利的誘導(dǎo)[16-17]。桑樹的表達(dá)量可在NaCl、ABA和SA處理以及機(jī)械損傷后上調(diào)[18]。甜瓜和8在授粉后30 d的表達(dá)量比授粉后10 d明顯上升[19]。煙草啟動(dòng)子區(qū)含有激素反應(yīng)、低溫反應(yīng)、抗性和脅迫反應(yīng)、損傷反應(yīng)和干旱誘導(dǎo)等不同種類的順式作用元件。玉米基因家族成員啟動(dòng)子區(qū)存在植物激素調(diào)控元件和逆境脅迫相關(guān)元件，黏蟲取食玉米后，玉米基因家族成員的表達(dá)水平會(huì)產(chǎn)生變化[20]。煙草、西來稗（）在二氯喹啉酸誘導(dǎo)后呈現(xiàn)不同程度的上調(diào)表達(dá)[21-22]。0.01 g·L-1的SA處理會(huì)抑制杏（）果實(shí)貯藏期間的ACO活性[23]?；移咸焰撸ǎ┣秩痉压麑?shí)會(huì)使其乙烯產(chǎn)量快速增加，ACO活性升高，表達(dá)水平也會(huì)升高[24]。香蕉（）被枯萎病菌侵染后，在感染初期（3 h）的表達(dá)量急劇升高，且抗病植株中的表達(dá)量比感病植株的低[25]。但目前關(guān)于玉米的家族基因功能，尤其是其在玉米響應(yīng)生物脅迫中的作用仍知之甚少?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】大量研究表明，ACO蛋白是一個(gè)家族蛋白，同一植株中有多種ACO蛋白，它們存在時(shí)空差異性，在植物生長發(fā)育的不同時(shí)期行使著不同功能。的啟動(dòng)子區(qū)存在不同種類的順式作用元件，包括激素反應(yīng)、脅迫反應(yīng)及損傷反應(yīng)等。乙烯是植物響應(yīng)生物脅迫的重要信號(hào)分子，植物在受到病菌侵害時(shí)，其體內(nèi)與乙烯合成的相關(guān)酶基因表達(dá)水平也會(huì)產(chǎn)生變化[26-27]。目前對(duì)玉米基因家族與生物脅迫響應(yīng)之間的關(guān)系未見系統(tǒng)研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】利用生物信息學(xué)方法明確玉米B73自交系基因家族的組成及各基因與其編碼產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)特征、理化性質(zhì)；分析基因家族在玉米生長發(fā)育過程中的表達(dá)模式，明確外源信號(hào)物質(zhì)以及病菌侵染對(duì)表達(dá)的影響，為解析基因家族在響應(yīng)生物脅迫中的功能提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2023年在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/河北省植物生理與分子病理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

1.1 供試材料

玉米B73自交系、玉米大斑病菌（）、小斑病菌（）、立枯絲核菌（）均由河北省植物生理與分子病理學(xué)實(shí)驗(yàn)室保存。

1.2 ZmACO家族基因生物信息學(xué)分析

從玉米基因組數(shù)據(jù)庫（http://ensembl.gramene.org/ Zea_mays/Info/Index）提取家族基因信息，經(jīng)過篩選鑒定其家族成員。利用NCBI進(jìn)行同源比對(duì)，整理氨基酸序列。利用MEGA-X構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。利用DNAMAN進(jìn)行序列比對(duì)，對(duì)ZmACO蛋白進(jìn)行保守基序分析。利用ExPASy（http://web.expasy.org/ protparam/）對(duì)ZmACO的分子量、理論等電點(diǎn)、氨基酸長度等進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1.3 ZmACO家族基因組織/器官表達(dá)分析

通過玉米基因組數(shù)據(jù)庫查詢玉米生長發(fā)育時(shí)期不同器官和組織中家族基因的表達(dá)量，其中包括授粉后20、38 d的胚，授粉后12 d的胚乳，授粉后27 d的胚乳頂端、果皮和糊粉層，2—4和6—8 mm的穗原基，6—7和7—8節(jié)間，16—19 d的營養(yǎng)分生組織，播種后2 d的萌發(fā)種子，葉片對(duì)稱區(qū)，葉片氣孔區(qū)，幼嫩葉片，成熟葉，5 d的初生根、根皮層、根伸長區(qū)和根分生區(qū)，7—8 d的次生根，成熟花粉，雌花小穗，穗絲，利用MeV 4.9.0繪制熱圖。

1.4 ZmACO家族基因在外源乙烯利和水楊酸處理下的表達(dá)分析

挑選顆粒飽滿的玉米種子，種于花盆（蛭石﹕營養(yǎng)土=1﹕3），定期澆灌營養(yǎng)液。利用乙烯利和水楊酸處理玉米，其中乙烯利濃度為300 mg·L-1，水楊酸濃度為1.0 mmol·L-1。在玉米3—6葉期進(jìn)行噴霧處理，分別在處理后3、6、12、24 h取玉米葉片，將樣品在液氮中速凍，置于-80 ℃冰箱保存。利用Trizol試劑盒提取處理好的玉米樣品總RNA，采用UEIrisII RT-PCR system for First-Strand cDNA Synthesis（with dsDNase）反轉(zhuǎn)錄試劑盒合成cDNA。

利用NEBuilder（https://nebuilderv1.neb.com/）設(shè)計(jì)引物（表1），選擇作為內(nèi)參基因，以經(jīng)過乙烯利和水楊酸處理的玉米組織cDNA為模板，使用Super Eva Green? qPCR Master Mix試劑盒進(jìn)行qRT-PCR擴(kuò)增（表2），采用美國Bio-Rad CFX96 TouchTM型熒光定量PCR系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。每組重復(fù)3次，采用Excel 2010和GraphPad Peism8繪制圖表。

1.5 病菌侵染過程中ZmACO家族基因的表達(dá)模式分析

玉米長至6葉期，分別將玉米大斑病菌、玉米小斑病菌、立枯絲核菌的菌盤置于玉米不同植株同一位置的葉片上，保濕24 h。分別取處理前（0 d）、處理后1、2、3、5、7和10 d的葉片，保存于-80 ℃冰箱中。參考方法1.4合成cDNA，進(jìn)行表達(dá)模式分析。

表1 實(shí)時(shí)熒光定量PCR所用引物序列

表2 qRT-PCR反應(yīng)體系

2 結(jié)果

2.1 ZmACO家族基因的獲取

從玉米基因組數(shù)據(jù)庫提取到16個(gè)。對(duì)其基因結(jié)構(gòu)及蛋白質(zhì)理化性質(zhì)分析表明，該家族基因開放閱讀框（ORF）長度介于372—1 599 bp，最短，最長，對(duì)應(yīng)的編碼產(chǎn)物長度為123—376 aa，蛋白相對(duì)分子質(zhì)量為13 700.64—40 606.00 Da，不同成員的理論等電點(diǎn)介于4.89—9.52（表3）。

2.2 ZmACO基因家族的生物信息學(xué)分析

進(jìn)化關(guān)系分析表明與、、的親緣關(guān)系較近，、、、、、與親緣關(guān)系較近。與在同一個(gè)分支中，親緣關(guān)系很近。和的氨基酸序列相似度為100%（圖1）。通過對(duì)ZmACO的結(jié)構(gòu)域進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)除ZmACO11以外，其他蛋白均存在兩個(gè)保守結(jié)構(gòu)域，分別為Fe2+離子結(jié)合位點(diǎn)和底物抗壞血酸結(jié)合位點(diǎn)。

2.3 玉米不同發(fā)育時(shí)期、不同器官/組織中ZmACO家族基因的表達(dá)規(guī)律

利用玉米數(shù)據(jù)庫搜集玉米不同發(fā)育時(shí)期的胚、胚乳、穗原基、節(jié)間、種子、葉、根等器官/組織中基因家族的表達(dá)量（圖2），結(jié)果顯示基因家族中的、、、在多個(gè)器官中均有不同程度表達(dá)，且表達(dá)量高于其他家族成員。在播種后2 d的萌發(fā)初期種子中表達(dá)量最高，在6—7、7—8節(jié)間、16—19 d的營養(yǎng)分生組織和幼嫩葉片中表達(dá)量較高，在穗原基和授粉后20 d的胚中表達(dá)量較高。在播種后2 d的種子、成熟葉和5 d的根皮層中表達(dá)量較高。在穗原基、授粉后27 d的果皮和糊粉層、雌花小穗和穗絲中表達(dá)量較高。在授粉后27 d的果皮和糊粉層、成熟的葉片和穗絲中表達(dá)量較高。在穗絲中表達(dá)量較高。在授粉后27 d的果皮和糊粉層和成熟葉片中表達(dá)量較高。在授粉后12 d的胚乳、授粉后27 d的胚乳頂端、果皮和糊粉層中存在表達(dá)。僅在根的不同發(fā)育階段存在極微弱表達(dá)。在穗原基中存在很低的表達(dá)。

圖1 ZmACO與其他植物ACO系統(tǒng)發(fā)育樹

表3 ZmACO家族基因及編碼產(chǎn)物信息

1：6—7節(jié)間6-7 Internode；2：7—8節(jié)間7-8 Internode；3：16—19 d的分生組織Meristem at 16-19 d；4：2—4 mm的穗原基Ear primordium of 2-4 mm；5：6—8 mm的穗原基Ear primordium of 6-8 mm；6：授粉后20 d的胚Embryo at 20 d after pollination；7：授粉后38 d的胚Embryo at 38 d after pollination；8：授粉后12 d的胚乳Endosperm at 12 d after pollination；9：授粉后27 d的胚乳頂端Endosperm crown at 27 d after pollination；10：播種后2 d的萌發(fā)種子Germination kernels at 2 d after seeding；11：授粉后27 d的果皮和糊粉層Pericarp/aleurone at 27 d after pollination；12：葉子對(duì)稱區(qū)Leaf zone 1 (symmetrical)；13：葉子氣孔區(qū)Leaf zone 2 (stomatal)；14：幼嫩葉片Leaf zone 3 (growth)；15：成熟葉片Mature leaf 8；16：5日齡的初生根Primary root at 5-day-old；17：5日齡的根皮層Root cortex at 5-day-old；18：5日齡的根伸長區(qū)Root elongation zone at 5-day-old；19：5日齡的根分生區(qū)Root meristem zone at 5-day-old；20：7—8日齡的次生根Secondary root at 7-8-day-old；21：成熟花粉B73 mature pollen；22：雌花小穗Female spikelet；23：穗絲Silk

2.4 乙烯利和水楊酸處理下ZmACO家族基因表達(dá)量

使用乙烯利、水楊酸處理玉米，選擇在玉米生長發(fā)育過程中表達(dá)較活躍的6個(gè)基因（、、、、、）進(jìn)行表達(dá)模式分析（圖3）。以處理后0 h的基因表達(dá)量為對(duì)照，在乙烯利處理下，在0—3 h表達(dá)量呈上調(diào)趨勢(shì)，3—6 h顯著下調(diào)，在6—12 h表達(dá)量呈現(xiàn)上調(diào)趨勢(shì)，高于對(duì)照的表達(dá)量，在12—24 h表達(dá)量顯著下調(diào)，達(dá)到最低；、在0—6 h表達(dá)量呈現(xiàn)上調(diào)趨勢(shì)，之后6—24 h呈現(xiàn)下調(diào)趨勢(shì)，在24 h時(shí)達(dá)到最低，接近0。、表達(dá)量在0—6 h呈現(xiàn)下調(diào)趨勢(shì)，6—12 h上調(diào)，12—24 h下調(diào)，在24 h表達(dá)量接近0。在水楊酸處理下，、、的表達(dá)量呈下調(diào)趨勢(shì)。、的表達(dá)量在3—12 h存在波動(dòng)，但總體呈現(xiàn)下調(diào)趨勢(shì)。的表達(dá)量在0—3 h上調(diào)，3—12 h下調(diào)，12—24 h上調(diào)。

圖3 乙烯利和水楊酸處理后ZmACO表達(dá)量變化

2.5 病菌侵染下ZmACO基因家族表達(dá)模式

根據(jù)病菌接種部位，選擇在玉米葉片高表達(dá)的、、、、、進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析（圖4）。以處理后0 d的基因表達(dá)量為對(duì)照。接種大斑病菌后，、、、、的表達(dá)量波動(dòng)幅度較大，均在接種1 d時(shí)表達(dá)量上升；在接種5 d時(shí)表達(dá)量較低，之后逐漸上升，在第10天達(dá)到最高水平；、在接種第3天表達(dá)量較低，然后開始上升，在第10天達(dá)到最高水平；的表達(dá)量變化趨勢(shì)不明顯，在接種后表達(dá)量便達(dá)到處理前的20倍，后續(xù)變化幅度不大。接種小斑病菌后，的表達(dá)量存在波動(dòng)，無明顯變化趨勢(shì)，但病菌接種后表達(dá)量比對(duì)照組的表達(dá)量高9—90倍；的表達(dá)量在病菌接種后0—7 d呈上升趨勢(shì)，第10天的表達(dá)量均降低，的降低程度極大；的表達(dá)量總體呈下降趨勢(shì)，但在0—2和3—5 d呈微弱的上升趨勢(shì)；的表達(dá)量在0—1 d呈上升趨勢(shì)，之后的變化趨勢(shì)與大斑病菌接種后的變化趨勢(shì)相似，總體呈波動(dòng)趨勢(shì)但變化幅度不大。接種立枯絲核菌后、、、、、的變化趨勢(shì)相似，在0—3 d呈上升趨勢(shì)，3—10 d呈下降趨勢(shì)，表達(dá)量均在第3天達(dá)到峰值。

圖4 病菌侵染后ZmACO表達(dá)量變化

3 討論

3.1 ZmACO在不同組織和器官中的表達(dá)規(guī)律

是一個(gè)多基因家族，其表達(dá)具有時(shí)空特異性，在不同組織、器官以及不同生長發(fā)育時(shí)期，基因的表達(dá)量存在差異。通過研究基因的表達(dá)規(guī)律可以揭示生物體內(nèi)在的生長發(fā)育規(guī)律和分子調(diào)控機(jī)制，為研究玉米抗病及生產(chǎn)調(diào)控提供幫助。

早期關(guān)于的研究多圍繞植物的果實(shí)成熟調(diào)控開展。后續(xù)研究逐漸發(fā)現(xiàn)，的表達(dá)存在于植物整個(gè)生長發(fā)育周期。黃瓜存在5個(gè)，與性別分化相關(guān)，在花發(fā)育時(shí)期基本不表達(dá)[28-29]。在蘋果中發(fā)現(xiàn)了3個(gè)家族成員，的表達(dá)局限于果實(shí)，在蘋果的幼葉和幼芽中具有表達(dá)優(yōu)勢(shì)，在成熟果實(shí)中幾乎不表達(dá)[30]。在桃的基因組中發(fā)現(xiàn)了2個(gè)，在成熟果實(shí)中表達(dá)量高，僅在果實(shí)發(fā)育初期表達(dá)[31]。在甘蔗中有3個(gè)，主要在根表達(dá)，在葉和根表達(dá)，主要在葉中表達(dá)[32]。對(duì)玉米進(jìn)行編輯會(huì)導(dǎo)致發(fā)育的穗中乙烯產(chǎn)量減少，并促進(jìn)分生組織和花的發(fā)育，從而使雜交系的每穗產(chǎn)量增加約13.4%[33]。上述研究表明基因家族成員的表達(dá)存在著明顯的時(shí)空差異性，其在植物整個(gè)生長發(fā)育過程中均發(fā)揮著重要作用。本研究中，玉米B73自交系16個(gè)基因家族成員在不同組織和器官中表達(dá)量差異明顯。其中大部分成員在玉米根的分生區(qū)、初生生長和次生生長的根中表達(dá)，以表達(dá)量較高，這3個(gè)基因還在授粉后的胚中表達(dá)活躍，推測(cè)其主要參與調(diào)控玉米幼嫩組織的發(fā)育成熟；則在穗原基和穗絲中表達(dá)量較高；主要在成熟葉片中表達(dá)。對(duì)這些基因表達(dá)的時(shí)空特點(diǎn)進(jìn)行分析可為后續(xù)對(duì)其功能研究提供有力支持。

3.2 ZmACO對(duì)外源乙烯利和水楊酸處理的響應(yīng)

乙烯利又稱2-氯乙基磷酸，可以釋放乙烯，從而發(fā)揮作用[34]。有研究表明，乙烯信號(hào)途徑和水楊酸信號(hào)途徑可以互相協(xié)同加速擬南芥葉片的衰老[35-36]，并且乙烯和水楊酸信號(hào)途徑在對(duì)植物抵抗生物脅迫和非生物脅迫中發(fā)揮重要作用[37-38]。和的表達(dá)受到乙烯利的誘導(dǎo)[17]。水楊酸處理后表達(dá)上調(diào)[18]，但是在杏、蘋果、桃中則表現(xiàn)為抑制ACO酶活性或基因表達(dá)[23,27,31]。對(duì)啟動(dòng)子區(qū)順式作用元件分析顯示，其含有植物激素調(diào)控元件和逆境脅迫相關(guān)元件[20]。因此，本研究分析了在乙烯利和水楊酸處理下的表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)乙烯利處理早期，可顯著誘導(dǎo)表達(dá)，但隨處理時(shí)間的延長，的表達(dá)量逐漸降低。而水楊酸處理后，、、、、的表達(dá)受到顯著抑制，說明玉米中的水楊酸信號(hào)途徑可能也對(duì)乙烯的生物合成具有抑制作用。

3.3 病菌侵染對(duì)ZmACO表達(dá)的影響

乙烯不僅是促進(jìn)果實(shí)成熟、葉片衰老等一般的植物激素，更是重要的植物防衛(wèi)激素。植物在受到病菌侵染時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)乙烯的生物合成，進(jìn)而通過信號(hào)傳遞，使下游抗病基因被誘導(dǎo)表達(dá)[39]。植物響應(yīng)病菌侵染中的表現(xiàn)研究相對(duì)較少。水稻矮縮病毒會(huì)使過表達(dá)，導(dǎo)致水稻發(fā)病更加嚴(yán)重，而沉默水稻對(duì)矮縮病毒的抵抗能力變強(qiáng)。因?yàn)镾AM為乙烯生物合成的底物，過表達(dá)使SAM含量增加，進(jìn)而使水稻乙烯的產(chǎn)生量增加，從而使水稻抵抗矮縮病毒的能力減弱。將乙烯信號(hào)通路阻斷，可顯著增強(qiáng)水稻對(duì)矮縮病毒的耐受性[26]。這些證據(jù)表明的表達(dá)可以對(duì)生物脅迫作出響應(yīng)。本研究采用的3種病菌均為半活體營養(yǎng)型真菌，被檢測(cè)的6個(gè)基因在玉米響應(yīng)病原真菌侵染過程中表達(dá)量均產(chǎn)生變化，其中表達(dá)量在3種病菌接種后均發(fā)生顯著變化。而則在立枯絲核菌侵染中表達(dá)變化活躍，對(duì)玉米大斑病菌侵染有響應(yīng)。此外，、對(duì)玉米大斑病菌侵染的響應(yīng)相對(duì)滯后。推測(cè)參與玉米對(duì)病原真菌的響應(yīng)過程，但可能存在不同的調(diào)控機(jī)制，后續(xù)將針對(duì)這些基因進(jìn)行進(jìn)一步的功能驗(yàn)證。

4 結(jié)論

在玉米B73自交系的基因組數(shù)據(jù)庫中鑒定出16個(gè)。的表達(dá)具有明顯的時(shí)空特異性。的表達(dá)受乙烯利影響最大，的表達(dá)受水楊酸影響最大。同時(shí)也參與玉米對(duì)病原真菌侵染的響應(yīng)過程。

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Bioinformatics and expression pattern analysis of maizegene family

WANG ChengZe1, ZHANG Yan1, FU Wei2, JIA JingZhe1, DONG JinGao1, SHEN Shen1, HAO ZhiMin1

1College of Life Science, Hebei Agricultural University/State Key Laboratory of North China Crop Improvement and Regulation/ Hebei Bioinformatic Utilization and Technological Innovation Center for Agricultural Microbes/Hebei Key Laboratory of Plant Physiology and Molecular Pathology, Baoding 071000, Hebei;2Handan College, Handan 056005, Hebei

【Objective】The objective of this study is to perform the genome-wide identification of the maize(1-aminocyclopropane- 1-carboxylate oxidase) gene family, analyze its expression patterns in different organs and developmental stages of maize, as well as in response to exogenous hormones and pathogen infection, and to lay the foundation for clarifying the function of the maizegene family.【Method】Using bioinformatics methods, thewas identified in the genome of maize B73 inbred line, and its gene structure, protein physicochemical properties, phylogenetic relationships among family members, and conserved motifs were analyzed. The expression patterns of thegene family were analyzed using real-time fluorescence quantitative PCR (qRT-PCR) technology.【Result】Except for ZmACO11, all members of the ZmACO family have Fe2+binding sites and substrate ascorbic acid binding sites. The phylogenetic tree showed thatandare in the same branch and have a close genetic relationship, with a Bootstrap value of 98. The gene expression analysis indicated that,,,,andwere actively expressed at various developmental stages and exhibited dominant expression in leaves, so the six genes mentioned above were selected for the next step of testing. Spraying ethephon resulted in fluctuations in the expression of all six genes mentioned above, the expression level ofwas significantly affected, with a variation multiple of about 8 times. The expression levels of these six genes fluctuated within 0-24 h of ethephon treatment. But after 24 h of treatment, all gene expression levels were close to 0. After salicylic acid treatment, the expression level ofwas significantly affected, with a variation multiple of about 2 times. The expression levels of other genes were close to 0 at 24 h after treatment. The expression levels of,fluctuated between 3 to 12 h, and the expression levels of,,showed a downward trend. In response to biological stress, the expression levels of,showed the greatest changes after inoculation with the, and on the 10th day after inoculation, the expression levels of these two genes increased by 50 and 60 times, respectively, compared to the control group. After inoculation with the, the expression level ofchanged significantly, with a variation multiple of 40-90 times. After inoculation with, the expression levels of,showed the greatest changes, reaching 200 times on the 3rd day of inoculation.【Conclusion】The expression changes of,,andare most active during the growth and development of maize; The application of exogenous ethephon and salicylic acid can significantly affect the expression level ofgenes. The expression level ofgenes significantly changes after bacterial infection in maize, which is closely related to the response to biological stress.

maizegene family; qRT-PCR; gene expression; ethephon; salicylic acid;;;

10.3864/j.issn.0578-1752.2024.07.008

2023-10-31；

2023-12-09

河北省自然科學(xué)基金（C2021204112）、河北省省級(jí)科技計(jì)劃（23567601H）、國家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-02）

王程澤，E-mail：2060848550@qq.com。張燕，E-mail：2419298400@qq.com。王程澤和張燕為同等貢獻(xiàn)作者。通信作者郝志敏，E-mail：haozhimin@hebau.edu.cn。通信作者申珅，E-mail：shenshen0428@163.com

（責(zé)任編輯 岳梅）