生长素响应因子(ARF)是一类具有B3结构域的转录因子，是调节生长素应答反应、控制基因表达的直接分子。前期通过分析转录组数据，在玉米中筛选到1个编码ARF蛋白并积极参与干旱-复水胁迫响应的基因ZmARF10。为进一步研究该基因调控玉米抗旱性的分子机制及抗旱分子育种提供新的思路，首先通过系列生物信息学分析软件对该基因进行生物信息学分析，之后利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)检测ZmARF10在玉米不同组织中的表达模式，分析在高温、干旱、高盐、ABA胁迫和解除胁迫处理下的表达情况，以及在不同玉米自交系间的表达差异，最后利用CRISPR/Cas9技术分析ZmARF10的功能。结果表明，ZmARF10位于玉米的第3号染色体，编码区全长2 127 bp,编码708个氨基酸，具有典型的B3结构域；该基因ATG上游2 kb区域内含有茉莉酸甲酯、生长素、脱落酸、低温响应等应答元件；系统发育树显示，ZmARF10基因编码的蛋白质与高粱同源蛋白的亲缘关系最近。qRT-PCR结果表明，ZmARF10是组成型表达基因，在玉米成熟根中的表达量最高；在高温、干旱、高盐以及ABA等4种胁迫处理下，ZmARF10基因的表达量均显著上调，干旱胁迫后上调倍数最高达8.2倍；干旱胁迫后，ZmARF10基因在抗旱自交系郑36中的表达量上升幅度显著高于干旱敏感自交系B73。观察拟南芥野生型与ARF10缺失型突变体发现，与野生型相比，干旱条件下突变体植株出现叶片萎蔫甚至干死的现象，根系发生卷曲，根系分支数减少，侧根生长发育受阻；测定生理生化指标发现，干旱胁迫后缺失型突变体的相对含水量、叶绿素含量、净光合速率显著低于野生型植株，说明敲除ARF10基因后拟南芥抗旱能力下降。

为探究花丝对干旱胁迫的分子响应，以安农591和先玉335为材料，设置土壤含水量为80%田间持水量(CK)和60%田间持水量(DS)的2个处理，在玉米花丝伸长速增期取样，进行转录组测序。通过对比2个品种干旱组和对照组的基因表达差异，明确玉米花丝响应干旱的关键通路和相关候选基因。结果表明：苯丙烷类生物合成途径(ko00940)和淀粉和蔗糖代谢途径(ko00500)为玉米花丝响应干旱的关键通路。在苯丙烷类生物合成途径通路中编码4-香豆酸-辅酶A连接酶(4CL)、肉桂酰辅酶A还原酶(CCR)、肉桂醇脱氢酶(CAD)和过氧化物酶(POD)的基因在干旱的玉米花丝中低表达。相关分析表明，编码4CL、CCR、CAD和POD的基因下调与木质素含量降低有关。在淀粉和蔗糖代谢途径中转化酶和蔗糖合酶基因在干旱的玉米花丝中低表达；相关分析表明，转化酶和蔗糖合酶基因下调与蔗糖代谢有关。综上所述，本研究确定了参与蔗糖和木质素代谢的关键基因和代谢物，木质素合成可能与玉米花丝耐旱相关，4CL、CCR、CAD和POD是木质素合成通路中玉米花丝耐旱的候选基因；此外，淀粉和蔗糖代谢途径可能与花丝伸长和花丝耐旱有关，转化酶和蔗糖合酶可能是调控花丝耐旱的关键酶。

为了挖掘茎瘤芥响应盐胁迫和根肿菌胁迫过程中发挥功能的生长素响应因子基因(ARF),对进一步研究其在茎瘤芥抗逆过程中的基因功能提供依据。通过生物信息学方法对ARF家族基因启动子顺式作用元件进行分析,采用qPCR的方法对茎瘤芥ARF家族基因在不同器官以及盐胁迫和根肿菌胁迫下的表达模式进行分析。结果表明,在ARF家族基因启动子上发现了多个响应生长素、盐胁迫和病原菌胁迫的顺式作用元件。BjARF1A和BjARF4B在叶中表达水平高,BjARF7C在根中表达水平高。在盐胁迫处理3 h后,BjARF1B和BjARF2B在根中受到强烈诱导表达;处理6 h后,BjARF9A和BjARF13E也受到显著诱导表达。在根肿菌处理条件下,相比于0 h对照,BjARF3A和BjARF3D分别在病原菌处理12,24 h后受到强烈的诱导表达;BjARF13B则在处理后持续下调表达且下调程度逐渐加强。综上所述,筛选到4个显著响应盐胁迫和3个显著响应根肿菌胁迫的ARF家族基因,为进一步研究其基因功能奠定了研究基础。

应用生物信息学分析,筛选获得了玉米中的3个CIPK基因同源序列(登录号分别为AY104819,EU974290和EU968441),它们编码的氨基酸序列都具有CIPK家族典型的功能结构域,推测属于CIPK家族成员。根据同源性,分别将它们暂命名为ZmCIPK1、ZmCIPK17和ZmCIPK18。RT-PCR分析结果表明,在干旱和低温胁迫下,这3个基因的表达模式都发生改变。在干旱胁迫条件下,ZmCIPK1在根中表达量明显改变,而低温胁迫下变化不大。ZmCIPK17和ZmCIPK18在2种胁迫下都被强烈诱导,但在不同胁迫下表达模式存在差异,而且在叶与根中的表达模式也不尽相同,暗示了这2个基因在干旱...

为了探明玉米重要自交系花粒期高温胁迫下转录组基因的表达差异,发掘玉米响应高温胁迫的关键基因和蛋白质,明确高温胁迫引起玉米减产的机理,从而利用分子生物学技术手段提高玉米耐高温胁迫性。首先,利用Ampha~(TM)Z30花粉活性分析仪检测高温胁迫和正常生长条件下玉米自交系昌7-2、郑58的花粉活性。然后收集花粉提取总RNA,利用Illumina Hiseq2000~(TM)高通量测序技术分别对昌7-2、郑58花粒期高温胁迫材料和正常生长条件下的对照材料进行全转录组测序,序列结果分析后获得差异显著表达基因。通过差异基因维恩图(VENN图)重叠区域分析、GO功能分类和富集统计、KEGG pathway通路分类和富集分析以及转录因子分析,获得玉米花粒期高温胁迫相关的重要差异表达基因和蛋白质。花粉活性检测结果显示,高温胁迫后和正常生长条件下,昌7-2花粉活性分别为24. 37%,42. 89%,郑58花粉活性分别为35. 57%,64. 83%。高温胁迫后在昌7-2花粉转录组中共检测到4 176个显著差异表达基因,郑58花粉转录组中共检测到5 487个显著差异表达基因。KEGG pathway通路分类和富集分析结果显示,高温胁迫后郑58的花粉转录组中有2 062个差异表达基因富集到399个相关通路上,昌7-2的花粉转录组中有1 943个差异表达基因富集到352个相关通路上。转录因子分析结果表明,共获得55个转录因子家族,其中,有45个转录因子包含10个以上差异表达基因。研究表明,通过对玉米自交系花粒期高温胁迫后花粉转录组测序获得了大量的差异显著表达基因信息,昌7-2、郑58对高温胁迫响应机制存在明显差异,热激蛋白(Hsps)、热激转录因子(Hsfs)、生长素(IAA)基因和磷脂酰基醇-4,5-二磷酸基因家族(PIP2)在响应玉米花粒期高温胁迫过程中起着重要作用。

本试验用不同浓度的维生素C对干旱胁迫下的玉米幼苗进行处理,测定了玉米幼苗根系的形态指标和生理指标。结果表明,一定浓度的维生素C能提高玉米幼苗根系的保水功能,一定程度上能缓解干旱的影响。在维生素C的浓度为80 mg/L时,处理效果最好,根长比对照增加18.6%,鲜重比对照增加20.3%,干重比对照增加18.9%,作物水分含量比对照增加23.1%,POD活性比对照增加19.0%,SOD活性比对照增加41.5%,根系活力比对照增加25.1%。

玉米籽粒发育时期对高温胁迫十分敏感，严重影响玉米的产量和品质。为研究不同耐高温玉米自交系籽粒响应高温胁迫的基因表达差异，在基因水平解析不同玉米种质响应高温胁迫的分子机制，以前期筛选的耐高温自交系XN202和敏感自交系CT110为材料，利用RNA-Seq技术挖掘正常和高温胁迫下授粉后15 d玉米籽粒的差异表达基因(DEG)。与对照相比，XN202和CT110分别检测到1 517,1 012个DEGs,共同的DEGs有142个，包含7个转录因子。不同耐高温玉米自交系的籽粒对高温胁迫的响应存在明显差异，通过基因本体(GO)功能注释和全基因组及代谢途径数据库(KEGG)信号通路富集分析筛选出DNA复制、核小体、微小染色体维持复合物、DNA引物酶-多聚酶α复合体、营养库活性、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢等共同参与响应高温胁迫的应答过程。通过生物信息学分析，共有374个DEGs位于已报道的玉米耐高温相关性状QTL区间，其中42个DEGs为已报道的耐高温相关基因。综上所述，高温胁迫下玉米籽粒会形成复杂的细胞保护和防御系统，AP2/ERF、MYB、bHLH、NAC、HSF、HSP等耐高温相关的DEGs可能在分子调控网络中发挥重要作用。

【目的】探讨云南省云瑞系列12个玉米杂交品种在对干旱胁迫及旱后复水的响应,为玉米抗旱及弹性恢复机理研究、品种选育及云南省玉米春季播种用种选择提供理论依据。【方法】在遮雨棚内,采用PVC管栽法测定云瑞系列12个杂交玉米品种在极端干旱中期、末期及胁迫结束后复水处理下的地上及地下响应特征,并对各个指标及系数进行主成分分析。【结果】干旱胁迫下各玉米品种的地上干重、地下干重、根表面积及根体积均比对照下降,且各指标与对照比值随胁迫时间的延长而下降。在复水后玉米出现补偿生长,各指标均有所恢复。在干旱胁迫第30天,抗旱性较强的品种包括云瑞6、云瑞10、云瑞21、云瑞47、云瑞88、云瑞68。在干旱胁迫天数增加至60 d时,云瑞505、云瑞999、云瑞21、云瑞2、云瑞7则表现出更高的抗旱性;在复水后,云瑞21、云瑞68、云瑞8、云瑞7、云瑞2表现出较强的恢复力。【结论】云瑞21在极端干旱复水后,仍能够更有效地恢复生长能力,能更好地抵御干旱,具有较高的弹性恢复力,保证稳定的玉米生物量及产量,该品种可作为云南春播时期遭遇严重干旱时的玉米抗旱品种推广应用。

旨在探究不同干旱胁迫程度对东北半干旱地区玉米生长性状及产量的影响,为深入研究玉米抗旱的生理机制奠定理论基础。采用抗旱棚微区试验,选用3种不同耐旱程度的玉米品种,于玉米拔节期、抽雄期及灌浆期分别设置正常供水(CK)、轻旱(LS)、中旱(MS)、重旱(SS)及持续干旱处理(S)5个水分梯度,综合性分析不同干旱胁迫程度对3个玉米品种生长性状及产量相关指标的影响。随干旱程度的不断加重,玉米株高、穗位及干物质量逐渐降低,茎粗随干旱程度的增加无明显差异,其中金庆707玉米品种株高、穗位及干物质积累量最高,嫩单19及富单16次之。玉米于抽雄期干旱胁迫时果穗性状变化最明显,且重旱下玉米产量最低,持续干旱无产量。同一干旱程度下玉米品种耐旱性越差,减产越大,玉米品种产量大小具体表现为金庆707>嫩单19>富单16。采用多个指标进行综合性分析得出,玉米抽雄期为玉米需水关键期,较易受到干旱胁迫的影响,同时指出抽雄期干旱胁迫亦或干旱胁迫程度严重是最终导致玉米产量降低的主要因素。

bZIP转录因子广泛存在于植物中，在调节植物生长发育和非生物胁迫应答中起着重要作用。为探究bZIP转录因子在玉米干旱胁迫响应中的功能，在玉米苗期干旱胁迫处理5 d和复水3 d时，利用转录组测序技术对转录因子基因的表达变化进行分析，筛选到一个响应干旱和复水处理的bZIP转录因子(ZmbZIP26),共表达网络分析发现，ZmbZIP26处于网络调节的核心节点位置。ZmbZIP26基因含有558 bp的开放阅读框，编码185个氨基酸，属于亲水性蛋白。蛋白质进化树及保守序列分析发现，ZmbZIP26蛋白与高粱和芒草同源蛋白的同源性较高，而且在同一氨基酸位置上的保守基序相同。启动子顺式作用元件分析表明，ATG上游2 000 bp区域内含有干旱响应元件、激素响应元件和光响应元件等。qRT-PCR分析发现，ZmbZIP26是组成型表达基因，在幼茎、雌穗和根中高表达，且ZmbZIP26基因积极响应干旱、高温、高盐、氮胁迫及恢复正常的过程，可能在植物的抗逆过程中发挥着重要作用。亚细胞定位分析发现，ZmbZIP26属于核蛋白，定位在细胞核上。蛋白质互作预测发现，ZmbZIP26可能与锌指蛋白、丝氨酸蛋白、钙依赖性蛋白、谷胱甘肽转移蛋白等互作构建了一张调控网络，协同调控玉米生长发育和胁迫应答过程。

干旱胁迫对玉米生长发育造成严重影响，从而导致玉米产量降低。紫色酸性磷酸酶是一种参与植物多种生理生化功能的磷脂酶蛋白，为进一步深入研究紫色酸性磷酸酶家族基因在玉米抗逆过程中的作用，探究了ZmPAP26b基因在干旱胁迫下响应模式，利用实时荧光定量分析模拟干旱条件下不同玉米自交系中的基因相对表达量；从玉米中克隆ZmPAP26b(GenBank:NC＿050104.1),并对玉米、拟南芥、水稻、小麦、高粱和二穗短柄草中的PAP基因进行鉴定和生物信息学分析；同时构建原核过表达菌株进行功能验证。结果表明，干旱胁迫下该基因在耐旱材料中表达量下降，干旱敏感材料中表达量上升。该基因CDS全长1 431 bp,编码476个氨基酸。在6个物种中共发现228个PAP基因，系统发育分析发现，共分成4个亚家族。玉米中的19个PAP基因分布在9条染色体上并且具有相似的保守结构域，启动子顺式作用元件分析显示含有响应干旱和激素等元件。原核表达试验发现，含有重组质粒pET28a-ZmPAP26b的菌株在10%PEG-6000和15%PEG-6000模拟干旱胁迫下的生长与空载菌株都受到了抑制。综上所述，推测ZmPAP26b在干旱胁迫下呈负调控模式。

为了探究水稻转氨酶基因Os AMTR310的功能以及明确其作用机制,利用多种分子生物学手段对Os AMTR310基因进行了功能分析。实时定量PCR的分析结果表明,Os AMTR310在干旱条件下相对基因表达水平是正常条件下的3.0倍;根据NCBI上获得的Os AMTR310基因序列设计引物,扩增其全长CDS序列,并利用NCBI对蛋白序列的功能结构域进行预测;将Os AMTR310的CDS序列连入p CAMBIA1302中构建超表达载体,并转入受体材料,通过PCR及蛋白质免疫印迹分析来确定Os AMTR310阳性转基因植株,进而分析Os AMTR310转基因植株与野生型植株在干旱胁迫下的差异来验证Os AMTR310基因的功能。结果表明,Os AMTR310 c DNA全长1 873 bp,CDS全长1 533 bp,编码510个氨基酸。Os AMTR310蛋白具有3个保守的结构域,属于乙酰鸟氨酸氨基转移酶家族。在正常条件下,Os AMTR310转基因植株与野生型相比没有明显的差别;然而,在干旱条件下,Os AMTR310转基因植株的存活率是野生型的1.5~2.0倍。通过测定叶片游离脯氨酸含量发现,Os AMTR310转基因植株游离的脯氨酸含量在正常条件下与野生型相比并无显著差异,而Os AMTR310转基因植株的游离脯氨酸含量在干旱条件下是野生型植株的1.5~2.0倍,说明水稻转氨酶基因Os AMTR310赋予了水稻更高的耐旱性。

【目的】质膜内在蛋白(plasma membrane intrinsic proteins,PIPs)广泛存在于植物细胞的膜系统上,在植物体内水分运输和水分平衡的过程中至关重要。对ZmPIP2;6在植物水分胁迫耐性中的功能进行探究,为玉米培育抗旱耐盐新品种提供优秀基因资源。【方法】分析并比对ZmPIP2;6与其他物种中报道参与水分胁迫的PIPs的氨基酸序列,构建ZmPIP2;6-GFP载体并通过PEG介导转化玉米原生质体,对ZmPIP2;6进行亚细胞定位。采集玉米的不同组织样品,包括根、茎、叶、未成熟雄穗、未成熟雌穗、胚和胚乳;对玉米进行PEG或NaCl处理,在处理的不同时间点采集玉米的根和叶样品。提取总RNA并通过qRT-PCR调查ZmPIP2;6在玉米不同组织以及在水分胁迫下的表达模式。构建ZmPIP2;6超表达载体,发展并鉴定ZmPIP2;6超表达拟南芥材料,观察转基因植株对渗透、盐及干旱胁迫的耐性生理表型,并测量其根长、叶片水分散失率等性状。检测在干旱或盐胁迫条件下,拟南芥胁迫信号通路上的相关基因在ZmPIP2;6超表达植株中的表达。【结果】氨基酸序列分析比对结果显示ZmPIP2;6具有PIP蛋白的典型结构与并且其他物种的PIP蛋白具有很高的同源性。转化玉米原生质体试验结果显示ZmPIP2;6蛋白定位在细胞质膜。qRT-PCR结果显示ZmPIP2;6在玉米未成熟雄穗中表达量最高,并且在玉米受到渗透和盐胁迫后根和叶中的ZmPIP2;6表达受到显著诱导。在MS固体培养基上进行渗透胁迫处理和盐胁迫处理以及进一步的土培试验中进行干旱胁迫处理,ZmPIP2;6超表达拟南芥植株相对野生型都显示出更强的胁迫耐性。在干旱或盐胁迫条件下,拟南芥胁迫信号通路上的相关基因在ZmPIP2;6超表达植株中的表达受到不同程度的影响。【结论】玉米内在质膜蛋白基因ZmPIP2;6在渗透或盐胁迫下表达上调,在拟南芥中超表达ZmPIP2;6会增强植株对渗透、盐和干旱胁迫的耐性,并且在盐或干旱胁迫条件下会影响拟南芥中胁迫相关基因的表达。ZmPIP2;6可能参与植物水分胁迫响应过程。

为探讨小G蛋白在玉米盐胁迫响应中的作用,克隆玉米ZmRab7基因并对其生理功能进行初步分析。生物信息学分析表明,ZmRab7基因编码206个氨基酸,包含保守的G1-G5基序和C末端Cys位点;系统进化分析显示,玉米ZmRab7蛋白与同为单子叶植物的高粱SbRab7亲缘关系最近;ZmRab7蛋白在二级结构和三级结构上由4个α-螺旋和多个β-折叠、无规卷曲组成功能域,且与双子叶植物拟南芥AtRab7空间结构高度相似。进一步研究发现,ZmRab7主要在玉米的根及幼胚中表达;该基因启动子区含有4个GT1GMSCAM4和2个DRECRTCOREAT盐胁迫响应元件,高盐能够轻微抑制其表达;酵母生长试验证实,ZmRab7-pYES2转基因酵母表现出盐胁迫不耐受表型。这些结果说明,玉米ZmRab7基因编码1个响应盐胁迫的Rab类小G蛋白,为进一步详细阐明玉米中Rab类蛋白的生理功能奠定了基础。

【目的】MYB转录因子在植物生长发育和抗逆过程中起着重要作用,克隆小麦MYB基因并对其功能进行研究,对植物MYB转录因子的调控机制具有重要意义。【方法】利用Affymetrix小麦芯片系统,分析2个小麦品种中国春(热敏感)和TAM107(耐热)在不同热胁迫处理下的转录谱,从热胁迫上调表达的EST序列中克隆得到小麦耐热相关TaMYB165基因,并对该基因的表达特性及功能进行研究;利用实时定量RT-PCR技术分析小麦不同发育时期、不同组织器官热胁迫处理下TaMYB165基因的动态表达模式,构建超表达载体并转化拟南芥,对获得的转基因拟南芥株系进行耐热性鉴定。【结果】克隆获得1个小麦MYB转录因子家族基因TaMYB165,该基因ORF长度为847 bp,编码282个氨基酸。同源序列分析表明,TaMYB165与高粱SORBIDRAFT 03g040120亲缘关系最近(73.2%),与水稻MYB蛋白和拟南芥AtMYB165的相似性分别为70.37%和33.0%。qRT-PCR结果显示,TaMYB165在小麦苗期和灌浆期都受热胁迫诱导表达,只是响应的早晚有所不同。在拟南芥中过量表达TaMYB165,转基因株系热胁迫后成活率提高,细胞膜热稳定性增强。【结论】TaMYB165是小麦热胁迫响应的重要转录因子,可作为小麦耐热育种的重要候选基因。