《Agronomy》：Genome-Wide Identification and Expression Analysis of DUF568 Gene Family in Maize (Zea mays) Under Abiotic Stresses
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DUF568基因家族参与拟南芥（*Arabidopsis thaliana*）和水稻（*Oryza sativa*）中的多种生物学过程，但其在玉米（*Zea mays*）非生物胁迫下的功能仍不清楚。本研究旨在通过首次全面鉴定和表征玉米中的10个ZmDUF568
DUF568基因家族参与拟南芥（*Arabidopsis thaliana*）和水稻（*Oryza sativa*）中的多种生物学过程，但其在玉米（*Zea mays*）非生物胁迫下的功能仍不清楚。本研究旨在通过首次全面鉴定和表征玉米中的10个ZmDUF568基因来填补这一空白，包括分析其进化关系、基因结构、表达模式、上游转录因子及组织特异性响应。研究人员进一步利用公共转录组数据集分析了这些基因在热、冷和干旱胁迫下的表达谱，并通过定量实时PCR（qRT-PCR）验证了选定候选基因在盐和干旱胁迫下的表达。此外，研究人员利用已发表的ChIP-seq数据预测了潜在的上游转录因子。研究结果揭示了ZmDUF568家族的基本结构特征和胁迫响应表达模式，为未来DUF568基因在玉米非生物胁迫响应中的功能验证研究提供了候选基因集合和基础资源。
**论文解读文章**
**研究背景与目的**
非生物胁迫（如干旱、盐碱和极端温度）严重制约全球玉米（*Zea mays*）产量。解析胁迫响应的分子机制对于培育耐逆品种至关重要。近年来，全基因组研究揭示了许多含有未知功能结构域（DUF）的基因家族参与植物胁迫响应。DUF568（PF04526）是植物特异性结构域，在Pfam数据库中存在于4625个蛋白质中，但仅在拟南芥（*Arabidopsis thaliana*）和水稻（*Oryza sativa*）中有初步研究。水稻DUF568家族包含8个成员，部分在营养器官中高表达，参与脱落酸（ABA）和细胞分裂素信号通路，并在非生物胁迫下差异表达。然而，玉米DUF568家族的系统性研究缺失，其成员数量、染色体定位、基因结构、进化起源及是否参与多种非生物胁迫响应均不清楚。为填补这一空白，研究人员开展了玉米DUF568基因家族的首个全基因组鉴定与表达分析，旨在鉴定成员、解析结构特征、分析表达模式，并预测上游转录调控网络，为功能验证和分子育种提供基础。
**主要技术方法**
研究人员从Pfam数据库获取DUF568结构域隐马尔可夫模型（HMM），利用HMMER软件的hmmsearch命令在玉米B73参考基因组（RefGen_v5）及拟南芥（TAIR10）、高粱（*Sorghum bicolor* v3.1.1）、谷子（*Setaria italica* v2.2）的蛋白质组中搜索候选蛋白，设置E值阈值1×10
-15，并通过Pfam、SMART和CDD数据库验证结构域完整性。利用MEGA11软件进行ClustalW比对并构建邻接法（Neighbor-Joining）系统发育树（1000次自举）。通过MCScanX在TBtools软件中分析共线性，Circos可视化。利用MEME Suite（5.5.0版）分析保守基序（最多10个，宽度6-50），InterProScan注释保守结构域。提取起始密码子（ATG）上游2000 bp序列，用PlantCARE数据库分析顺式调控元件。从qTeller数据库和已发表研究获取表达数据（热图由TBtools生成）。利用已发表研究中104个转录因子的ChIP-seq数据，通过TIP（Target Identification from Profiles）模型预测上游转录因子（FDR=0.05），Gephi软件（0.9.7版）可视化网络。对玉米自交系B73幼苗进行盐胁迫（200 mM NaCl）和干旱胁迫（20% PEG 6000模拟），于处理后0、4、6、12小时采集叶片，提取RNA，用qRT-PCR验证基因表达（三个生物学重复），采用相对定量（RQ）法，单因素方差分析（ANOVA）及Tukey HSD事后检验（p<0.05）。
**研究结果**
**3.1. 玉米ZmDUF568基因家族的系统发育分析与染色体定位**
通过跨物种比较，在拟南芥、谷子、高粱和玉米中分别鉴定到9、10、7和10个DUF568成员。系统发育树将DUF568基因分为三个主要组（Group I、II、III），ZmDUF568基因分布于所有组，表明其进化历史多样且功能可能具有多功能性。染色体定位和共线性分析显示，ZmDUF568.9与ZmDUF568.1、ZmDUF568.3与ZmDUF568.7存在染色体内共线性区块，且基因在染色体上呈非随机分布，可能有助于胁迫响应中的协调表达。
**3.2. ZmDUF568家族的基因结构、保守蛋白基序与结构域**
保守基序分析识别出10个基序，其中基序1、2、4、6、9在所有蛋白中保守，可能维持结构稳定性；基序3、5、8广泛存在。结构域分析发现，9个成员含有DOMON_CIL1_like核心保守结构域（仅ZmDUF568.10缺失）。顺式调控元件分析显示，大多数ZmDUF568启动子富含脱落酸（ABA）、茉莉酸甲酯（MeJA）、干旱诱导及防御/胁迫响应元件，而ZmDUF568.6几乎不含此类元件，ZmDUF568.3和ZmDUF568.10富集胁迫响应元件。基因结构分析表明，编码序列（CDS）高度保守，但非翻译区（UTR）和外显子-内含子结构变异显著，如ZmDUF568.10和ZmDUF568.6具有独特的UTR和内含子分布，可能驱动功能分化。
**3.3. ZmDUF568基因的表达分析**
组织表达分析显示，ZmDUF568.6在叶片中高表达，ZmDUF568.7在根和叶中相对高表达，ZmDUF568.9在根中优先表达，ZmDUF568.3和ZmDUF568.6在果皮中可检测到表达，而所有成员在种子和胚乳中表达极低或不可检测，表明组织特异性功能分工。
**3.4. 非生物胁迫下ZmDUF568的表达模式**
利用公共转录组数据，在干旱梯度（WW、DT2、DT3、DT4）下，ZmDUF568.1随干旱加剧持续上调，ZmDUF568.4持续下调，ZmDUF568.9稳定高表达，ZmDUF568.10在轻度干旱达峰后迅速下降。在温度胁迫下，ZmDUF568.10在对照中最高，冷热胁迫均显著下调；ZmDUF568.2在热胁迫下维持高表达，但在冷胁迫下降低；ZmDUF568.9在冷胁迫下被诱导。qRT-PCR验证实验显示：盐胁迫下，ZmDUF568.1显著下调，ZmDUF568.3、ZmDUF568.6、ZmDUF568.7在后期显著上调（ZmDUF568.6在6小时上调超10倍），ZmDUF568.9在12小时上调，ZmDUF568.10持续下调；干旱胁迫下，ZmDUF568.1和ZmDUF568.6在6小时显著上调（ZmDUF568.6上调最剧烈），ZmDUF568.3在12小时上调，ZmDUF568.7在4小时短暂上调后下降，ZmDUF568.9先稳定后下调，ZmDUF568.10持续下调。这些结果表明，该家族成员对盐和干旱胁迫呈现差异表达，有些对单一胁迫响应，有些在两种胁迫下趋势相似，暗示多样的调控功能。
**3.5. ZmDUF568家族基因上游转录因子预测**
利用已发表的104个转录因子的ChIP-seq数据，预测到88个潜在上游转录因子，与ZmDUF568基因形成调控网络。核心成员（如ZmDUF568.3、ZmDUF568.6）与大量转录因子存在互作，涉及bHLH、MYB、ERF/EREBP等家族，呈现“多转录因子协同调控”的复杂网络拓扑结构。
**讨论与结论**
讨论部分指出，玉米DUF568家族成员数量（10个）与谷子相同，高于高粱（7个）和拟南芥（9个），可能与玉米多次全基因组复制事件有关。系统发育分析表明，该家族在单子叶和双子叶分化前已分化为核心功能分支，玉米保留了这些保守分支并在驯化中演化出物种特异性调控机制。保守结构域DOMON_CIL1_like可能介导蛋白互作、血红素和糖结合，参与信号感知和非生物胁迫响应。基因结构变异（尤其是UTR差异）可能通过影响mRNA稳定性和翻译效率以及可变剪接产生功能多样性。顺式元件分析支持ZmDUF568基因受胁迫信号通路转录调控。上游转录因子预测网络与已知胁迫调控网络一致，但需进一步实验验证。表达模式显示，ZmDUF568.1在干旱胁迫下持续上调，ZmDUF568.9在冷胁迫下特异性诱导，与水稻同源基因响应一致，表明DUF568在植物干旱适应中的进化保守性。组织特异性表达提示该家族主要在营养生长期发挥胁迫适应功能，而非生殖发育过程。研究强调，尽管表达分析提供了候选基因优先排序（如ZmDUF568.6和ZmDUF568.3），但功能验证仍需基因敲除/过表达、生理生化分析等实验。未来工作还应包括蛋白互作研究和不同种质资源自然变异分析。
**研究结论**
本研究首次提供了玉米DUF568基因家族的全基因组表征。鉴定出10个ZmDUF568基因，分析了其结构特征和进化关系，并表征了其在不同组织和非生物胁迫下的表达模式。基于胁迫响应表达，研究优先确定了几个候选基因（特别是ZmDUF568.6和ZmDUF568.3）用于未来功能研究。这些结果为了解DUF568家族在玉米中的作用奠定了基础，并为植物胁迫生物学领域提供了资源。（论文发表在《Agronomy》）
