玉米ZmCRY基因家族的全基因组鉴定及ZmCRYPHR2在盐胁迫应答中的调控机制解析

本研究针对玉米隐花色素（ZmCRYs）基因家族在非生物胁迫响应中的功能未知问题，通过全基因组鉴定和功能分析揭示了9个ZmCRY基因的系统进化特征及其在盐、旱、缺氮和病原胁迫下的表达模式。研究发现定位于叶绿体和质膜的ZmCRYPHR2通过抑制抗氧化酶活性、加剧活性氧（ROS）积累负向调控玉米耐盐性，并鉴定出优势单倍型Hap2为耐盐育种提供遗传靶点。该研究为玉米抗逆育种提供了重要理论依据和基因资源。

　　

光是调控植物生长发育的关键环境信号，其中蓝光通过特异性光受体——隐花色素（Cryptochrome, CRY）家族介导光形态建成、开花时间和胁迫响应等重要过程。虽然在拟南芥等模式植物中CRY的功能已被深入解析，但在全球主要粮食作物玉米中，ZmCRY基因家族的系统性研究和功能探索仍存在巨大空白。特别是在应对日益严峻的盐碱化胁迫方面，玉米CRY家族是否及如何参与耐盐调控尚不清楚。

为了填补这一空白，中国农业科学院作物科学研究所陈润一等研究人员在《BMC Plant Biology》上发表了最新研究成果，通过对玉米全基因组进行系统性分析，鉴定出9个ZmCRY基因，并深入解析了它们在多种胁迫条件下的表达模式，最终发现ZmCRYPHR2基因在负调控玉米耐盐性中起关键作用。

研究团队首先利用隐马尔可夫模型（HMM）搜索和Zm-B73-REFERENCE-NAM-5.0.55数据库验证，从玉米基因组中鉴定到9个ZmCRY家族成员，包括ZmCRYPHO、ZmCRYSF、ZmCRY1a1、ZmCRY1a2、ZmCRY1b、ZmCRY2、ZmCRY3、ZmCRYPHR1和ZmCRYPHR2。这些基因不均匀分布在5条染色体上，编码的蛋白质在理化性质上呈现多样性。系统进化分析显示，玉米与水稻的CRY基因具有高度同源性，而拟南芥等双子叶植物的CRY基因则单独聚类，表明CRY基因的功能分化可能发生在单双子叶植物分化之后。

基因结构和保守基序分析发现，同一进化分支内的ZmCRY基因具有高度保守的外显子-内含子结构和 motif 组成。启动子顺式作用元件分析表明，所有ZmCRY基因都含有光响应元件G-Box，同时还包含大量与激素信号、胁迫响应和生长发育相关的调控元件，提示这些基因可能广泛参与植物的环境适应和生长发育调控。

为了探究ZmCRY基因的功能，研究人员通过RT-qPCR技术分析了这些基因在不同组织中的表达模式。结果显示，所有ZmCRY基因在叶片中的表达量均显著高于根部，这与它们作为光受体的功能相符。除ZmCRY1b、ZmCRY2、ZmCRYSF和ZmCRYPHO在花丝中表达最高外，其余基因均在叶片中表达量最高。

在蓝光处理实验中，ZmCRY基因家族成员表现出强烈的蓝光响应，但不同基因的表达模式存在明显差异。ZmCRY1b、ZmCRYSF、ZmCRY3和ZmCRYPHR1在所有时间点的表达量均高于对照；而ZmCRY1a1、ZmCRY1a2和ZmCRY2则呈现先下降后上升的表达趋势；ZmCRYPHR2在蓝光处理1小时后表达变化最为显著。

研究人员进一步分析了ZmCRY基因在多种生物和非生物胁迫下的表达响应。在高盐（300 mM NaCl）处理24小时后，ZmCRY1a2、ZmCRY2、ZmCRYPHR2和ZmCRYSF显著下调，而ZmCRY1b和ZmCRYPHO表达上调。在干旱胁迫（15% PEG）条件下，除ZmCRY3外，所有ZmCRY基因均被诱导表达，其中ZmCRY2的变化最为显著。在低氮条件下，只有ZmCRY1a1显著上调表达，其他成员均下调。

在病原菌胁迫方面，研究人员研究了ZmCRY基因对轮枝镰刀菌（Fusarium verticillioides）和多堆柄锈菌（Puccinia polysora）的响应。除ZmCRY2外，所有ZmCRY基因都对轮枝镰刀菌感染产生响应，其中只有ZmCRY3被上调表达。而在多堆柄锈菌接种后，所有ZmCRY基因均下调表达，其中ZmCRY3的下调最为显著。

基于ZmCRYPHR2在高盐胁迫下的显著下调表达，研究人员选择该基因进行深入的功能研究。亚细胞定位显示，ZmCRYPHR2主要定位于叶绿体和质膜。通过创制ZmCRYPHR2过表达和突变体材料，在300 mM NaCl胁迫下进行表型分析，发现过表达株系表现出更严重的盐胁迫症状，包括株高矮化、叶尖黄化、叶片卷曲萎蔫等，同时其茎鲜重比（SFR）、株高比（PHR）、根鲜重比（RFR）和根长比（RLR）均显著低于对照。

盐胁迫会诱导活性氧（ROS）的产生，导致氧化胁迫和细胞膜损伤。研究人员发现，与ROS产生相关的ZmRBOH4基因在过表达株系中上调，而与ROS清除相关的ZmAPX1基因则下调。抗氧化酶活性（SOD、CAT和POD）在过表达株系中降低，而在突变体中升高。丙二醛（MDA）含量在过表达株系中显著升高，表明细胞膜损伤更严重。NBT和DAB染色结果直接证实了过表达株系中O₂^-和H₂O₂的积累更多。

为了探索ZmCRYPHR2的自然变异，研究人员对269份玉米自交系进行了候选基因关联分析，基于编码区的遗传变异鉴定了3个单倍型。其中Hap2与增强的耐盐性显著相关，特别是在SFR、PHR和RFR等性状上表现优异。群体遗传分析显示，Hap2主要分布在SPT、PB和BSSS群体中，而Hap3则主要存在于LRC、MIX和Lan群体中，这与先前对玉米群体耐盐性评价的排序一致。

本研究采用了多种关键技术方法：通过全基因组HMM搜索和Phytozome数据库验证鉴定ZmCRY基因家族；利用Clustal X和MEGA11进行系统进化分析；采用RT-qPCR分析基因表达模式；通过农杆菌介导的遗传转化创制过表达和突变体材料；使用NBT和DAB染色检测活性氧积累；通过对269份玉米自交系的候选基因关联分析进行单倍型鉴定。

研究结果表明，玉米ZmCRY基因家族包含9个成员，它们在染色体上呈不均匀分布，具有组织特异性表达模式，并对蓝光和多种胁迫（高盐、干旱、缺氮和病原菌感染）产生响应。特别是ZmCRYPHR2通过负调控抗氧化酶活性，增加活性氧积累和细胞膜损伤，从而降低玉米的耐盐性。研究人员鉴定出的优势单倍型Hap2为玉米耐盐育种提供了有价值的遗传资源。

这项研究不仅首次对玉米CRY基因家族进行了全面的基因组学和功能学分析，还揭示了ZmCRYPHR2在盐胁迫响应中的关键负调控作用，为理解植物光受体与环境胁迫互作的分子机制提供了新视角，同时也为培育抗逆性强的玉米品种提供了重要的基因资源和理论依据。