玉米CK1家族的全基因组分析以及ZmCK1-8在低氮条件下调节根系结构和硝酸盐响应性生理性状中的功能特性研究

《BMC Plant Biology》：Genome?wide analysis of the maize CK1 family and functional characterization of ZmCK1-8 in modulating root architecture and nitrate?responsive physiological traits under low?nitrogen conditions

　　

摘要

背景

氮缺乏是全球玉米生产面临的主要限制因素。尽管CK1家族成员在真核生物中具有多样的调控功能，但玉米中的CK1家族尚未得到系统鉴定，它们在玉米氮代谢中的作用仍不明确。在本研究中，我们试图鉴定ZmCK1家族成员，并探讨ZmCK1在低氮条件下的生理和分子作用。

结果

我们鉴定了20个玉米ZmCK1家族成员，并通过系统发育分析、基序和结构域预测、基因结构分析、启动子顺式元件注释以及硝酸盐响应性转录组分析对它们进行了表征。选择硝酸盐响应基因ZmCK1-8进行功能分析。将B73型和ZmCK1-8突变体在低氮条件下进行水培实验，以评估根系结构、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）、硝酸盐还原酶（NR）以及蛋白质和氮含量。突变体表现出增强的根系生长，表明ZmCK1-8在低氮条件下参与调控根系生长，并与氮相关的生理特性改变有关。转录组分析发现，ck1-8-1和ck1-8-2突变体中分别有256个和660个基因型依赖的硝酸盐响应基因，这些基因富集于激素信号传导、刺激响应和跨膜转运蛋白活性相关通路。ZmCK1-8的缺失与ZmGS1-5的上调及氮相关生理特性的改变有关。酵母双杂交和BiFC实验确认ZmCK1-8与染色质重塑蛋白ZmCHB101存在物理相互作用。对ZmCHB101 RNAi株的RT-qPCR分析进一步表明，ZmCK1-8和ZmCHB101具有多个共同的下游调控靶标，包括ZmGS1–5、GOGAT和ZmPTR11。相比之下，其他硝酸盐响应基因（如ZmPTR12、ZmNPF25和ZmNPF34）在两种遗传背景下的表达模式存在差异。

结论

全基因组分析鉴定了20个ZmCK1成员，其中ZmCK1-8被发现与硝酸盐诱导的根系生长相关。ZmCK1-8功能的缺失导致根系氮相关生理特性发生改变，而ZmGS1-5被确定为潜在的下游响应基因。此外，ZmCK1-8与ZmCHB101存在物理相互作用，但这种相互作用与靶基因调控之间的机制联系尚需进一步研究。这些结果揭示了玉米氮信号网络中的一个新组分，并为玉米低氮适应性的进一步功能研究提供了候选基因。