玉米全基因组半胱氨酸蛋白酶基因家族(ZmCPs)的分子特征及其在鳞翅目昆虫胁迫响应中的动态调控机制

本研究针对玉米(Zea mays L.)中半胱氨酸蛋白酶基因家族(ZmCPs)的系统性研究不足问题，通过生物信息学与实验验证相结合的策略，首次基于B73_V5基因组鉴定出47个ZmCPs成员，解析其进化特征与表达模式。研究发现RD21亚家族成员(ZmCP3/24/25等)通过阶段特异性调控参与对草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda)的防御反应，为培育抗虫玉米品种提供了分子靶点。论文发表于《BMC Genomics》，揭示了CPs在植物-昆虫互作中的双重作用机制。

　　

研究背景与科学问题

在玉米这一全球重要粮食作物面临鳞翅目害虫(如草地贪夜蛾)年均20%产量损失的严峻形势下，植物内源防御机制成为研究热点。半胱氨酸蛋白酶(Cysteine Proteases, CPs)作为一类广泛存在于植物中的水解酶，已知在拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)中参与抗病防御，但玉米CPs基因家族(ZmCPs)的系统研究长期滞后。尤其令人困惑的是，尽管早前在玉米中鉴定出Mir1-CP等个别成员具有抗虫功能，但全基因组水平的家族进化规律、组织表达特异性及其在昆虫胁迫下的动态调控网络仍属空白。

研究策略与方法

研究团队整合多重技术路线：基于B73_V5基因组的HMMER和BLASTP同源搜索鉴定ZmCPs；MCScanX分析基因复制事件；MEME和TBtools解析保守结构域；PlantCARE启动子顺式元件预测；利用公共转录组数据(SRP010680、PRJNA675077等)和qRT-PCR验证表达模式；以"安科985"玉米品种和实验室饲养的草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda)为材料进行时间梯度胁迫实验。

主要研究发现

1. 1.

   基因家族鉴定与进化特征

   通过全基因组扫描鉴定出47个ZmCPs，分为9个亚家族(SAG12、THI等)，染色体分布呈现明显聚集现象。共线性分析揭示15.97-64.23 Mya发生的片段复制是家族扩张主要驱动力，Ka/Ks<1表明纯化选择压力。

1. 1.

   蛋白功能特征

   所有成员均含Peptidase_C1结构域，XBCP/RD21亚家族特有含12个半胱氨酸的Granulin结构域。启动子分析发现454个赤霉素响应元件和122个厌氧诱导元件，GO注释显示主要参与"细胞蛋白分解代谢"(GO:0044257)。

2. 2.

   时空表达模式

   转录组分析显示ZmCP8/9/15/18在抽雄期(VT阶段)高表达，ZmCP14/36在种子萌发阶段特异激活。值得注意的是，ZmCP4/20/27/30/31/46在全生育期持续表达，暗示其管家基因功能。

1. 1.

   昆虫胁迫响应机制

   qRT-PCR揭示ZmCP20/27/30在草地贪夜蛾侵染6 h早期快速响应，ZmCP3/4在24 h后激活，而ZmCP24呈现持续上调模式。蛋白互作网络显示ZmCP29与14个蛋白互作，形成防御调控枢纽。

研究意义与展望

该研究首次绘制了玉米CPs基因家族的完整图谱，阐明RD21亚家族成员通过"早期快速响应-中期持续调控-晚期强化防御"的三阶段模式参与抗虫反应。特别重要的是，发现ZmCP24可能通过破坏昆虫围食膜基质发挥作用，这为开发基于蛋白酶抑制剂的抗虫策略提供了新靶点。未来研究可进一步解析ZmCPs切割昆虫消化酶的具体分子机制，并利用CRISPR-Cas9技术创制抗虫玉米新种质。

研究局限性在于尚未通过基因敲除验证单个ZmCP的功能，且不同玉米品种间的等位变异有待探索。这些发现为理解植物-昆虫协同进化提供了新视角，对保障全球粮食安全具有重要应用价值。