玉米生长素响应因子(ARF)基因家族的全基因组鉴定及ZmARF3调控不定根发育的分子机制解析

本研究针对玉米生长素信号转导关键调控因子ARF基因家族功能未知的问题，通过全基因组分析鉴定出38个ZmARFs成员，首次揭示ZmARF3通过激活ZmGH3、ZmRTCS和ZmWOX5/9/11表达正向调控不定根发育。该成果为作物根系遗传改良提供了新靶点，发表于《New Crops》。

　　

玉米作为全球重要的粮食作物，其根系构型直接影响水分和养分吸收效率。生长素响应因子(ARF)是调控植物生长发育的核心转录因子，但在玉米中其家族成员的系统鉴定和功能研究仍存在巨大空白。尤其是不定根(AR)作为玉米支撑和吸收的关键器官，其形成机制尚未阐明。

为解决这些问题，中国的研究团队在《New Crops》发表了突破性研究。通过BLAST比对和系统发育分析，首次在玉米B73 RefGen_v4基因组中鉴定出38个ZmARFs基因，分为I-IV四类。研究采用瞬时表达实验鉴定出16个激活型和1个抑制型ZmARFs，并发现ZmARF3与拟南芥ARF6/8同源。利用UniformMu突变体库筛选获得两个ZmARF3功能获得型突变体zmarf3-1D和zmarf3-2D，通过表型分析、qPCR和双荧光素酶报告系统，解析了ZmARF3调控不定根发育的分子网络。

关键技术包括：全基因组生物信息学分析、系统发育树构建、UniformMu突变体筛选、Gateway载体构建、拟南芥原生质体瞬时转化、双荧光素酶报告系统、qPCR表达分析等。

研究结果：

1. 鉴定和表征玉米ARF家族基因
   通过BLAST搜索鉴定出38个ZmARFs，不均匀分布在10条染色体上。基因结构分析显示外显子数量1-16个不等，ZmARF6和ZmARF32为无内含子基因。

2. ZmARF蛋白的系统发育分析
   基于全长蛋白序列将ZmARFs分为4类，发现7对姐妹基因对。保守域分析显示所有ZmARFs均含有B3 DNA结合域，19个成员缺失C端二聚化域(CTD)。通过氨基酸组成预测16个激活型和22个抑制型ZmARFs。

3. ZmARFs的转录激活或抑制功能鉴定
   双荧光素酶实验证实ZmARF1/8/13-15/17-18/24-25/28-29/31-33/36/38为激活型，ZmARF11为抑制型。外源生长素处理诱导ZmARF15/16/18/29/30/34表达上调。

4. zmarf3突变体的表型分析
   在ZmARF3的5'UTR区插入Mu转座子的两个突变体zmarf3-1D和zmarf3-2D，显示不定根数量显著增加。拟南芥过表达ZmARF3同样促进不定根形成，证实其正向调控功能。

5. ZmARF3的表达模式
   表达谱分析显示ZmARF3在胚芽鞘、茎和中胚轴高表达，与不定根发生部位一致。

6. ZmARF3调控下游基因表达
   ZmARF3通过结合ZmGH3、ZmRTCS和ZmWOX5/9/11启动子中的TGTCTC元件，激活这些基因表达，从而促进不定根发育。

该研究首次绘制了玉米ARF基因家族全谱图，创制了首个ZmARF功能突变体，揭示了ZmARF3-ZmGH3/ZmRTCS/ZmWOX分子模块调控不定根发育的新机制。这些发现不仅丰富了植物激素信号转导理论，更为玉米根系构型遗传改良提供了分子靶点。通过调控ZmARF3表达，有望培育抗旱、耐瘠薄的新型玉米品种，对保障粮食安全具有重要意义。