玉米热激转录因子ZmHSF10正向调控耐热性的功能鉴定与机制研究

《BMC Plant Biology》：Heat stress response factor ZmHSF10 positively regulates heat tolerance in maize

本研究针对高温胁迫严重威胁玉米幼苗正常生长的产业问题，通过转录组测序技术从耐热杂交种ZD819及其亲本中筛选到12个HSF转录因子，其中ZmHSF10在高温处理前后表达差异高达1279.40倍。研究人员通过构建过表达拟南芥材料和VIGS沉默玉米材料，证实ZmHSF10能通过维持细胞膜稳定性、提高叶绿素含量和相对含水量来增强植物的耐热性。该研究为玉米耐热育种提供了关键基因资源和理论依据，对保障粮食安全生产具有重要意义。

　　

随着全球气温持续升高，高温等极端天气频发，对玉米安全生产构成严重威胁。作为重要粮食作物，玉米通过调节体内生理生化活动来适应外界环境，但其响应和适应高温的作用机制尚不明确。高温胁迫会导致玉米细胞膜稳定性受损、酶系统紊乱，进而影响生长发育甚至导致植株死亡。挖掘关键耐热基因成为培育耐热玉米新品种的分子基础。

在这项发表于《BMC Plant Biology》的研究中，Cao等研究人员通过系统解析耐热玉米杂交种ZD819及其亲本的高温响应机制，发现了一个能显著提升植物耐热性的关键基因ZmHSF10。该研究不仅揭示了玉米耐热性的分子基础，更为作物耐热育种提供了宝贵的遗传资源。

研究人员采用的关键技术方法包括：对耐热杂交种ZD819及其亲本进行高温处理（37°C持续3天）和RNA-seq转录组测序；通过构建pEGC5941-ZmHSF10过表达载体获得转基因拟南芥材料；利用病毒诱导的基因沉默(VIGS)技术构建BMV-ZmHSF10载体获得基因沉默玉米材料；采用实时荧光定量PCR验证基因表达水平；测定相对电导率、叶绿素含量和相对含水量(RWC)等生理指标评估耐热性。

玉米杂交种ZD819较其亲本具有更强的耐热性

在高温胁迫处理前，ZD819及其亲本ZD819-F和ZD819-M生长状态良好，相对电导率均处于较低水平。值得注意的是，ZD819的叶绿素含量显著高于亲本，分别比ZD819-F和ZD819-M高出16.40%和29.41%，表明其具有更强的光合能力。经过3天高温处理后，所有材料的叶绿素含量均下降，但ZD819仍保持较高水平。虽然所有材料都出现叶片卷曲现象，但ZD819的生长状态明显优于亲本，其离子渗透性也显著低于亲本材料，证明ZD819具有更强的耐热性。

高温胁迫下玉米杂交种ZD819及其亲本的RNA-seq测序结果分析

转录组测序显示，ZD819-M、ZD819和ZD819-F在高温处理后分别获得18,806、17,195和19,533个差异表达基因。维恩图分析表明三个材料共有11,124个差异表达基因，而ZD819特有1,318个差异表达基因，这些特有基因可能在其耐热性中发挥特殊功能。

GO和KEGG联合分析表明，高温胁迫主要影响叶绿体、细胞质和质体相关基因的表达，涉及光合作用、代谢途径和卡尔文循环等生物学过程。特别值得注意的是，ZD819特有差异基因中包含了MPK信号通路成员，该通路在植物高温响应中起重要作用。

差异表达基因中转录因子的种类和数量分析

研究共鉴定出617个转录因子，分属52个转录因子家族。其中，41.38%（12/29）的HSF基因在高温胁迫后差异表达，表明HSF转录因子在玉米高温响应中具有重要而普遍的作用。

高温下ZmHSFs的RNA-seq数据分析

从HSF家族基因中筛选出12个差异表达基因，其中ZmHSF5在高温处理后表达量显著下降，而其他ZmHSFs均呈上升趋势。尤为突出的是，ZmHSF10在高温处理前后表达差异倍数最大，在ZD819中高达1279.40倍，表明其在玉米高温响应中可能发挥关键作用。

过表达ZmHSF10增强拟南芥耐热性

为探究ZmHSF10在高温胁迫中的功能，研究人员获得了过表达ZmHSF10基因的拟南芥植株。高温胁迫处理后，野生型拟南芥出现萎蔫、黄叶甚至部分叶片死亡现象，而过表达株系OE-1和OE-2的表型明显优于野生型。相对电导率测定显示，过表达株系的相对电导率显著低于野生型，存活率也明显更高，表明ZmHSF10过表达能增强转基因植物的耐热性。

降低ZmHSF10表达促进玉米对高温的敏感性

利用VIGS技术降低玉米植株中ZmHSF10的表达后，沉默株系L-1和L-2在高温胁迫下叶片卷曲程度显著高于野生型。高温处理后，沉默株系的叶绿素含量显著降低，离子渗透性迅速增加，相对含水量(RWC)显著低于野生型，表明ZmHSF10表达降低会削弱玉米植株的耐热性。

研究结论与讨论部分强调，HSF转录因子作为广泛参与植物热响应的关键调控因子，在高温胁迫下通过激活下游HSP（热激蛋白）和活性氧清除相关酶的表达来增强植物耐热性。本研究通过转录组分析发现ZmHSF10在耐热材料ZD819中表达上调最为显著，功能验证表明该基因通过维持细胞膜稳定性、叶绿素含量和相对含水量来正向调控植物的耐热性。特别值得注意的是，生物信息学预测显示ZmHSF10蛋白含有7个无序序列，这可能是其在高热条件下发生相分离形成转录聚集体的结构基础，为进一步解析其分子机制提供了新思路。

该研究不仅鉴定了玉米耐热性的关键调控基因ZmHSF10，还系统解析了其在高温胁迫响应中的生物学功能，为培育耐热玉米新品种提供了重要的基因资源和理论依据。随着全球气候变暖加剧，这类研究对保障粮食安全生产具有重要的现实意义和应用价值。