玉米磷酸果糖激酶基因家族的全基因组鉴定及其在非生物胁迫和植物激素响应中的表达调控研究

本研究针对玉米(Zea mays L.)中磷酸果糖激酶(PFK)基因家族尚未系统研究的现状，通过全基因组分析鉴定出18个ZmPFK基因，揭示了其在进化过程中的保守性和纯化选择特征。研究人员结合启动子元件分析、转录组数据和RT-qPCR验证，发现多个ZmPFK基因在非生物胁迫(干旱、高低温)和植物激素(ABA、IAA等)处理下显著上调表达，为解析玉米糖酵解途径参与胁迫响应的分子机制提供了新见解，对作物抗逆育种具有重要指导意义。相关成果发表在《BMC Plant Biology》。

　　

糖类代谢是植物生长发育的核心过程，其中糖酵解途径作为能量供应的关键通路备受关注。磷酸果糖激酶(PFK)作为糖酵解过程的限速酶，在拟南芥、水稻等模式植物中已被证实参与多种胁迫响应，但在重要粮食作物玉米中的研究仍属空白。随着全球气候变化加剧，干旱、极端温度等非生物胁迫严重威胁玉米产量，解析其抗逆机制成为当务之急。此外，植物激素与糖信号通路的交叉调控网络也亟待阐明。

河南省农业科学院粮食作物研究所的研究人员首次对玉米PFK基因家族进行了系统研究。通过全基因组分析鉴定出18个ZmPFK基因，分为PFK-A、PFK-B、PFK-C、PFP-α和PFP-β五个亚家族。研究揭示了这些基因在染色体上的分布特征、进化关系及其在多种组织中的表达模式，特别关注了它们在非生物胁迫和植物激素处理下的动态响应。该成果为理解玉米糖酵解途径的调控机制提供了新视角，相关论文发表在《BMC Plant Biology》。

研究采用的主要技术方法包括：基于PFAM数据库的HMMER搜索进行基因家族鉴定；利用PlantCARE分析启动子顺式作用元件；通过EMBL-EBI数据库获取转录组数据；使用RT-qPCR验证基因表达模式（以郑单958杂交种为材料，设置0/6/12小时处理时间点）。

基因鉴定与系统进化分析
研究人员通过全基因组筛选鉴定出18个ZmPFK基因，分布在10条染色体上。系统进化分析显示这些基因可分为5个亚家族，与单子叶植物水稻、小麦的亲缘关系较双子叶植物更近。共线性分析发现42个玉米-小麦同源基因对，Ka/Ks比值均小于1，表明PFK基因在进化过程中受到强烈纯化选择。

基因结构与蛋白特征
蛋白基序分析显示同一亚家族成员具有相似基序组成，如PFP亚家族均含有motif 19/18/13等。所有ZmPFK蛋白均为亲水性，预测定位于细胞质。三级结构建模显示18个蛋白模型覆盖度接近100%，置信度超过90%。

表达模式分析
组织特异性表达显示ZmPFK10和ZmPFK16在除成熟花粉外的组织中高表达；ZmPFK3在成熟叶片和花粉中特异性高表达。启动子分析发现这些基因含有ABA、IAA等多种激素响应元件。RT-qPCR证实ZmPFK5和ZmPFK4在干旱早期响应，而ZmPFK18和ZmPFK2在晚期响应。

胁迫响应机制
高温胁迫下ZmPFK18/4/6/13显著上调；低温处理中多数基因在抗性基因型中高表达。蛋白互作网络显示phi1（葡萄糖-6-磷酸异构酶）与15个ZmPFK蛋白互作，GO富集分析表明这些基因主要参与果糖-6-磷酸代谢等通路。

该研究首次系统鉴定了玉米PFK基因家族，揭示了其在进化过程中的高度保守性。研究发现ZmPFK6和ZmPFK2能同时响应多种胁迫和激素信号，可能是调控网络的核心节点。特别值得注意的是，ZmPFK3在光合组织中的高表达特征与拟南芥同源基因AtPFK5的叶绿体功能相呼应，暗示其在能量代谢中的特殊作用。这些发现为作物抗逆育种提供了重要靶点，也为理解糖信号与激素通路的交叉调控提供了新线索。