玉米(Zea mays L.)CPP基因家族的全基因组鉴定与表达分析揭示其在非生物胁迫响应中的关键作用

为解决玉米非生物胁迫响应机制不明的问题，贵州师范大学研究人员通过生物信息学和表达分析，系统鉴定了12个ZmCPP基因家族成员，揭示了其通过片段复制进化、组织特异性表达及热/冷/涝渍等胁迫诱导模式，为解析玉米抗逆分子机制提供了新靶点。研究发表于《BMC Plant Biology》。

　　

玉米作为全球重要粮食作物，常面临高温、干旱、涝渍等非生物胁迫的威胁，导致严重减产。尽管已知半胱氨酸富集多梳样蛋白(CPP)转录因子家族在植物发育和胁迫响应中起调控作用，但玉米中ZmCPPs的功能研究仍属空白。此前研究仅基于B73 V3基因组注释了13个成员，而随着基因组组装版本的更新，亟需系统性重新鉴定并解析其生物学功能。

贵州师范大学的研究团队利用最新B73 V5基因组数据，通过同源比对和隐马尔可夫模型(HMM)筛选，鉴定出12个ZmCPP基因家族成员。这些基因不均匀分布在6条染色体上，片段复制是其家族扩张的主要驱动力。系统进化分析将ZmCPPs分为3个亚群，同一亚群成员具有保守的基因结构和蛋白基序。启动子分析发现大量与植物生长、激素信号及胁迫响应相关的顺式作用元件。RNA-seq数据显示ZmCPPs呈现组织特异性表达模式，且在甘蔗花叶病毒(SCMV)和涝渍胁迫下显著上调，而在冷/热/镉胁迫中普遍下调。RT-qPCR验证了ZmCPP2/4/9在短期热、冷、干旱胁迫下的诱导表达特征。亚细胞定位显示ZmCPP2/9定位于细胞质和细胞核，但酵母实验中无自激活活性。

研究主要采用以下技术方法：1) 基于B73 V5基因组的生物信息学分析；2) 多物种系统发育树构建(MEGA11软件)；3) RNA-seq数据挖掘(来自MaizeGDB数据库)；4) RT-qPCR验证胁迫响应基因；5) PEG-Ca法介导的玉米原生质体转化；6) 酵母双杂交系统检测转录激活活性。

结果部分
ZmCPP基因鉴定与特征
在B73 V5基因组中鉴定出12个ZmCPPs，ORF长度1071-2403 bp，等电点(pI)均>6。染色体定位显示1号和3号染色体分布最密集(各含3个基因)。

进化与结构分析
85个植物CPP蛋白的系统发育树分为4组，ZmCPPs分布于I-III组且与高粱(SbCPPs)亲缘最近。同一亚群成员具有相似的motif组成和内含子-外显子结构，如所有成员均含TCR保守域。

复制与共线性
3对ZmCPPs(ZmCPP1/4,2/5,6/12)由片段复制产生，与高粱、水稻分别存在12和11对直系同源基因，进化保守性强。

顺式元件与表达模式
启动子区含有光响应元件(G-box)、胁迫响应元件(TC-rich repeats)及激素响应元件(ABRE)。RNA-seq显示ZmCPP1/2/5在根分生组织高表达，ZmCPP10在幼叶特异性表达。

胁迫响应验证
RT-qPCR证实ZmCPP2/9在42℃(4 h)、4℃(4 h)和脱水(8 h)胁迫下显著上调，而水涝胁迫诱导所有测试基因表达。

蛋白功能初探
ZmCPP2/9-GFP融合蛋白定位于双细胞区，酵母实验中不具转录自激活能力，暗示其可能通过蛋白互作发挥功能。

结论与意义
该研究首次在B73 V5基因组水平完成ZmCPPs全基因组鉴定，揭示了片段复制驱动家族扩张的进化特征。通过整合多组学数据，发现ZmCPPs可能通过激素信号(如ABA)和胁迫响应通路参与玉米抗逆调控，特别是ZmCPP2/9作为多重胁迫响应的核心成员值得深入解析。研究成果为玉米抗逆育种提供了候选靶点，建立的进化模型为禾本科作物CPP功能研究提供了新框架。未来需通过基因编辑等手段验证ZmCPPs在胁迫应答中的具体分子机制。