近期，錢葉雄教授課題組在植物科學(xué)領(lǐng)域國際知名學(xué)術(shù)期刊《Frontiers in Plant Science》（IF=6.627，中科院二區(qū)TOP期刊）上發(fā)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”兩篇研究論文，以及在基因組學(xué)領(lǐng)域國際知名學(xué)術(shù)期刊《BMC Genomics》（IF5=4.931，中科院二區(qū)TOP期刊）上發(fā)表“Genome-wide Identification and expression Profiling Analysis of Maize AP2/ERF Superfamily Genes Reveal Essential Roles in Abiotic Stress Tolerance”的研究論文。2020級碩士研究生席燕以及2021屆碩士畢業(yè)生張靜分別為論文的第一作者，錢葉雄教授為論文的通訊作者，安徽師范大學(xué)作為論文的第一作者及通訊作者單位。

 

　　高溫等惡劣環(huán)境極大地限制了全球農(nóng)作物的生長、發(fā)育和生產(chǎn)。NAC轉(zhuǎn)錄因子是一類重要的轉(zhuǎn)錄因子，在植物的非生物逆境脅迫響應(yīng)中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。然而，NAC轉(zhuǎn)錄因子在玉米熱脅迫反應(yīng)中的功能尚不清楚。本研究前期鑒定并克隆了一個玉米逆境反應(yīng)NAC轉(zhuǎn)錄因子基因，命名為ZmNAC074。進(jìn)一步研究表明，ZmNAC074可能編碼玉米NAC家族的一個膜結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子（MTF），由517個氨基酸殘基組成，C端存在一個跨膜區(qū)。此外，ZmNAC074在玉米幼苗中高度表達(dá)，并受到各種非生物脅迫的誘導(dǎo)，特別是在高溫脅迫下的葉片組織中。進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)基因方法對ZmNAC074進(jìn)行功能驗(yàn)證，通過表型和生理分析表明，ZmNAC074在轉(zhuǎn)基因擬南芥中的過表達(dá)可以調(diào)節(jié)多種脅迫代謝產(chǎn)物的積累，包括活性氧（ROS）、抗氧化劑、丙二醛（MDA）、脯氨酸、可溶性蛋白、葉綠素和類胡蘿卜素的含量的變化，顯著提高了植物的耐熱能力。實(shí)時熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)分析表明，在熱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因擬南芥中編碼抗氧化物清除酶以及HSR和UPR通路反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)水平顯著上調(diào)，表明ZmNAC074可能編碼一個熱脅迫正調(diào)控因子，激活ROS清除基因和HSR和UPR通路相關(guān)基因的表達(dá)，從而提高植物在熱脅迫條件下的耐熱性。總之，ZmNAC074可能在賦予植物耐熱性方面發(fā)揮重要調(diào)控作用，為玉米和其他作物耐熱性調(diào)控機(jī)制研究以及培育抗高溫作物新品種提供關(guān)鍵候選基因。該研究成果目前已發(fā)表在近期《Frontiers in Plant Scienc》期刊上，文章鏈接： https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.986628。

 

　　多胺（PA）在植物的生長發(fā)育和非生物脅迫中發(fā)揮著重要作用。多胺氧化酶（PAO）是黃素腺嘌呤二核苷酸依賴的酶，在多胺的分解代謝中起重要作用。該研究通過全基因組分析方法首次對玉米PAO基因進(jìn)行了全基因組篩選，鑒定了9個ZmPAO基因，命名為ZmPAO1-9，利用生物信息學(xué)方法對其系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系、基因和蛋白結(jié)構(gòu)、順式作用元件、染色體分布位置及基因復(fù)制等方面進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。通過對轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建了玉米ZmPAO基因家族在不同生長發(fā)育時期和不同發(fā)育組織的全基因組基因表達(dá)譜，并通過qPCR方法驗(yàn)證了ZmPAO基因響應(yīng)高溫、干旱和鹽脅迫，表明這些基因在這些非生物脅迫反應(yīng)中可能發(fā)揮作用。最后，通過構(gòu)建過表達(dá)ZmPAO6基因的轉(zhuǎn)基因擬南芥驗(yàn)證ZmPAO基因在植物中的調(diào)控功能。揭示ZmPAO6的過表達(dá)可能通過介導(dǎo)多胺的分解代謝來增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植株的耐熱性，從而減少了熱脅迫下H2O2和MDA的積累，減緩了葉綠素的降解，表明ZmPAO6可以通過參與多種生理過程來提高轉(zhuǎn)基因植株的耐熱性。此外，谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）等抗氧化酶相關(guān)基因的表達(dá)分析表明，ZmPAO6可能通過調(diào)節(jié)熱脅迫誘導(dǎo)下的H2O2在多胺分解代謝中的積累來提高轉(zhuǎn)基因植株的耐熱性。綜上所述，該研究首次報(bào)道了ZmPAO6基因?qū)χ参餆崦{迫的響應(yīng)，為進(jìn)一步揭示ZmPAO基因在玉米生長發(fā)育和適應(yīng)非生物脅迫中的功能和調(diào)控機(jī)制提供了重要的理論依據(jù)。該研究成果目前已發(fā)表在近期《Frontiers in Plant Science》期刊上，文章鏈接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/ fpls.2022.950064。

 

　　AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子超家族作為植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，參與了多種生物學(xué)過程，在植物的生長發(fā)育和應(yīng)對各種逆境脅迫的響應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。盡管AP2/ERF超家族基因在許多植物中已被報(bào)道，但目前對玉米AP2/ERF基因的結(jié)構(gòu)和功能知之甚少。根據(jù)玉米B73基因組的AGPv4版本，鑒定出214個編碼ZmAP2/ERF蛋白的基因。根據(jù)AP2/ERF結(jié)構(gòu)域的數(shù)目及其蛋白氨基酸序列的相似性，鑒定的214個玉米ZmAP2/ERF蛋白被劃分為三個不同的家族，分別包括AP2家族（44個）、ERF家族（166個）和RAV家族（4個）。其中，ERF家族被進(jìn)一步細(xì)分為兩個不同的亞家族，包括DREB和ERF亞家族，分別含有61和105個成員。此外，進(jìn)一步地根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育分析，DREB和ERF亞家族成員分別被分為4個（組I-IV）和8個（組V-XII）。通過對這些ZmAP2/ERF基因的外顯子-內(nèi)含子結(jié)構(gòu)特征及其編碼的ZmAP2/ERF蛋白的保守蛋白質(zhì)基序分析，結(jié)果與類群劃分保持高度一致。啟動子分析表明，ZmAP2/ERF基因具有許多脅迫和激素相關(guān)的順式調(diào)控元件。基因復(fù)制和共線性分析表明，串聯(lián)或片段復(fù)制和純化選擇在3個不同的禾本科植物（玉米、水稻和高粱） AP2/ERF超家族基因之間的進(jìn)化以及功能分化中發(fā)揮重要作用。轉(zhuǎn)錄組分析表明，大多數(shù)ZmAP2/ERF基因在玉米不同生長發(fā)育階段表現(xiàn)出不同的差異表達(dá)模式。此外，對ZmAP2/ERF基因之間的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)以及ZmAP2和ZmERF蛋白之間的蛋白質(zhì)相互作用進(jìn)行分析，揭示了玉米AP2/ERF超家族成員之間內(nèi)在調(diào)控關(guān)系。此外，進(jìn)一步通過實(shí)時定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)證實(shí)了27個ZmAP2/ERF基因?qū)?種不同的非生物脅迫的存在響應(yīng)，表明它們在不同的非生物脅迫響應(yīng)中具有潛在的調(diào)控功能。綜上所述，這些研究結(jié)果表明玉米ZmAP2/ERF基因在非生物脅迫耐受性中起著重要的調(diào)控作用。該研究成果目前已發(fā)表在近期《BMC Genomics》期刊上，文章鏈接：https://doi.org/10.1186/s12864-022-08345-7。

 

　　以上論文得到了國家自然科學(xué)基金（31571673）、安徽省高校學(xué)科（專業(yè)）拔尖人才學(xué)術(shù)資助項(xiàng)目（gxbjZD2021044）、安徽省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選資助計(jì)劃（2020H221）以及重要生物資源保護(hù)與利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（swzy202003）等項(xiàng)目支持。