《International Journal of Molecular Sciences》：Genome-Wide Identification of SNF7 Gene Family in Maize and Potential Roles in Response to Abiotic and Biotic Stress
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蔗糖非发酵蛋白7（SNF7）是内体分选转运复合体III（ESCRT-III）的核心组件，介导蛋白质分选与降解。目前，SNF7基因家族在植物中，尤其是在玉米（*Zea mays* L.）中的研究仍较为有限。本研究整合生物信息学与转录组学分析，系统鉴定了玉米SNF
蔗糖非发酵蛋白7（SNF7）是内体分选转运复合体III（ESCRT-III）的核心组件，介导蛋白质分选与降解。目前，SNF7基因家族在植物中，尤其是在玉米（*Zea mays* L.）中的研究仍较为有限。本研究整合生物信息学与转录组学分析，系统鉴定了玉米SNF7（ZmSNF7）基因家族及其在胁迫响应中的调控潜力。共在全基因组范围内鉴定到20个ZmSNF7基因，并将其划分为三个系统发育分支，同一分支内的成员具有保守的基序和相似的三级结构。在其启动子区域检测到大量激素响应和胁迫响应顺式作用元件。蛋白质互作预测表明ZmSNF7蛋白可与家族内成员及其他ESCRT组分发生互作。基因本体论（GO）富集分析提示ZmSNF7主要参与内膜系统组织和囊泡运输。转录组数据显示，ZmSNF7在干旱、水稻黑条矮缩病毒（RBSDV）侵染、禾谷炭疽菌（*Colletotrichum graminicola*）接种及亚洲玉米螟（ACB）为害条件下呈现差异化的表达模式。综上，本研究系统解析了ZmSNF7基因家族的特征，拓展了对其介导植物应对生物与非生物胁迫功能的认知。
**ZmSNF7基因家族：玉米胁迫响应的多面手——全基因组鉴定与功能解析**
**一、研究背景与科学问题**
玉米是全球种植最广泛的粮食作物之一，同时也是动物饲料和工业生产的重要原料。然而，玉米在整个生育周期内频繁遭受干旱、高温等非生物胁迫以及病毒、细菌、真菌和害虫等生物胁迫，导致严重的产量损失和品质下降。在中国，玉米粗缩病、南方锈病、茎腐病、穗腐病、玉米炭疽病、亚洲玉米螟、粘虫和草地贪夜蛾等多种病虫害季节性爆发，严重制约了玉米产量和品质的提升，给农业生产者造成了重大经济损失。因此，抗逆基因的鉴定与功能解析已成为玉米育种研究的核心方向。
内体分选转运复合体（ESCRT）是真核细胞中结构和功能高度保守的蛋白复合体，调控多囊体/前液泡区室（MVBs/PVCs）内部腔泡（ILVs）的形成，其主要生物学功能是促进泛素化标记的膜蛋白降解。此外，ESCRT还参与细胞分裂、病毒出芽、自噬和免疫防御反应等多种生理过程。在植物中，SNF7基因家族作为ESCRT复合体的核心亚基，表现出显著的功能多效性和复杂的调控网络，参与叶片衰老、泛素化蛋白分选降解、气孔模式建成以及叶绿体组分的自噬性周转等关键生物学过程。水稻中OsSNF7.2通过介导生长素合成酶OsYUC8的内体运输和周转来调控叶片卷曲形态建成；拟南芥中SNF7通过结合其他ESCRT-III亚基锚定到多囊体上，介导磷酸盐转运蛋白PHT1;1的液泡分选。此外，SNF7还参与植物免疫反应，敲除SNF7基因可使雀麦花叶病毒的RNA复制水平降低25倍以上。
完整的ESCRT系统包含ESCRT-0、ESCRT-I、ESCRT-II、ESCRT-III以及液泡蛋白分选4（VPS4）-VPS二十相关蛋白1（VTA1）复合体五个核心蛋白复合体。其中，SNF7、VPS2及辅助蛋白VPS46和VPS60组装形成ESCRT-III大型膜支架复合体，而SNF7基因家族成员编码了其中大部分组分。尽管SNF7基因家族在酵母和哺乳动物中已被广泛研究，但在植物中的研究仍然有限，尚未在玉米中进行过系统鉴定。基于此，本研究对玉米自交系B73中的ZmSNF7基因进行了全基因组鉴定，并结合多种生物信息学分析和转录组数据，系统探究了该基因家族的进化特征和在逆境响应中的潜在功能。
**二、主要关键技术方法**
研究人员利用BLASTP和HMMER搜索，基于Pfam中SNF7结构域（PF03357）的隐马尔可夫模型（HMM）谱，对玉米、水稻和拟南芥蛋白质组进行全基因组同源检索，并通过保守结构域数据库验证候选基因的完整性。随后利用MEGA 11软件构建邻接法系统发育树；通过MEME和Batch CD-Search分析保守基序和结构域；利用AlphaFold2预测蛋白质三维结构；使用PlantCARE分析启动子顺式作用元件；借助TBtools进行染色体定位、共线性分析和Ka/Ks计算；利用STRING数据库预测蛋白质互作网络；采用agriGO进行GO富集分析。转录组数据来自公共数据库：组织表达分析利用422份玉米样品（涵盖7套独立转录组数据集），胁迫表达分析下载自NCBI SRA数据库（干旱：PRJNA1404907；RBSDV：PRJNA760309；禾谷炭疽菌：PRJNA868217；亚洲玉米螟：PRJNA761215）。研究人员还利用qRT-PCR对B73自交系幼苗在PEG 8000模拟干旱、轮枝镰孢接种和亚洲玉米螟取食条件下的基因表达进行了验证。
**三、主要研究结果**
**3.1 玉米ZmSNF7基因的鉴定与特征分析**
通过全基因组BLASTP和HMMER搜索，共鉴定到20个玉米SNF7家族基因、15个水稻SNF7基因和14个拟南芥SNF7基因。Pfam分析证实所有基因均编码含有典型SNF7结构域（PF03357）的蛋白质。ZmSNF7蛋白的氨基酸长度（100–411个氨基酸残基）和分子量（11.58–46.56 kDa）存在显著差异，等电点（pI）呈多峰分布，多数成员显示高不稳定指数和负的总平均亲水性（GRAVY）值。信号肽和亚细胞定位预测表明，所有玉米SNF7蛋白均不含分泌信号肽、线粒体/叶绿体转运肽或类囊体转运肽，也未检测到N端前导肽。
**3.2 SNF7基因家族的系统发育分析与分类**
基于玉米、水稻和拟南芥SNF7家族蛋白的氨基酸序列构建系统发育树，将所有成员分为三个亚组（Group I–III）。Group I包含7个ZmSNF7、5个OsSNF7和2个AtSNF7成员；Group II包含5个ZmSNF7、4个OsSNF7和5个AtSNF7成员；Group III包含8个ZmSNF7、6个OsSNF7和7个AtSNF7成员。每个亚组均包含来自三个物种的成员，表明SNF7分支的分化早于物种分化，支持该基因家族的进化保守性。
**3.3 ZmSNF7基因的基因结构与保守基序分析**
保守基序分析显示，Motif 1、3、5和7为大多数成员共有，构成核心保守序列。Group II和III含有特异性基序Motif 4，部分Group III成员还含有Motifs 4和6，基序组成与系统发育分组高度一致。保守结构域分析显示所有ZmSNF7蛋白均含有Snf7超家族结构域（PF03357），仅Group I中的Zm00001eb171860额外携带一个DUF1639结构域。基因结构分析表明外显子-内含子组织和UTR/CDS分布高度异质。三维结构预测显示20个ZmSNF7蛋白均具有高度保守的核心α-螺旋折叠，结构变异主要来源于灵活的N端和C端固有无序区域。
**3.4 染色体定位、共线性分析与进化动态**
20个ZmSNF7基因不均匀地分布在玉米10条染色体中的9条上，第10号染色体上无家族成员。未检测到串联重复或片段重复事件，所有旁系同源对的Ka/Ks比值均小于1，表明该家族经历了强烈的纯化选择。B73、Mo17和大刍草SK三个基因组间的共线性分析显示，20个成员中的19个（95%）在三个基因组中均具有共线性直系同源区域，仅Zm00001eb171860在Mo17和SK中缺乏共线性直系同源拷贝。
**3.5 ZmSNF7基因启动子顺式作用元件分析**
启动子区预测到多种顺式作用元件，包括植物激素响应元件（ABA、MeJA、SA、GA、IAA响应）、胁迫响应元件（干旱、低温、光照、厌氧）、组织特异性元件（根、种子、分生组织特异）以及发育相关元件（细胞周期、昼夜节律）。其中，ABA响应和MeJA响应元件在大多数ZmSNF7启动子中广泛分布。
**3.6 ZmSNF7蛋白互作网络与功能注释分析**
STRING数据库分析显示大多数ZmSNF7成员之间存在广泛的互作关系，A0A1D6FZB5和A0A1D6P3C0处于网络的中心枢纽位置，而Zm00001eb171860不与任何其他ZmSNF7蛋白发生预测互作。靶标蛋白B4FU00_MAIZE的PPI预测显示ZmSNF7主要与经典ESCRT通路组分互作，包括VPS24、VPS32、带电多囊体蛋白1B（CHMP1B）、CHMP5和CHMP4b，以及两个AAA ATP酶家族成员——钾转运生长缺陷抑制因子1（SKD1）和液泡分选蛋白4b（VPS4b）。跨物种保守性分析表明ZmSNF7蛋白在真核生物中高度保守，在细菌和古菌中保守性极低。GO富集分析显示ZmSNF7家族基因在液泡运输、内体分选、囊泡介导的转运和内膜系统组织等生物学过程中显著富集。
**3.7 ZmSNF7组织表达模式分析**
基于422份玉米样品转录组数据的表达热图显示，大多数ZmSNF7成员在所有检测组织中呈现广泛的中等水平表达，而Zm00001eb171860在所有组织中几乎检测不到转录本。Zm00001eb126990主要在叶片组织中高表达。
**3.8 非生物和生物胁迫下ZmSNF7表达分析**
在B73幼苗干旱处理1天后，Zm00001eb164660和Zm00001eb358220显著上调超过2倍，但第4天诱导幅度下降，qPCR验证与之一致。RBSDV侵染后，Zm00001eb126990显著上调超过3倍，而Zm00001eb386640表达下降超过2倍。禾谷炭疽菌接种后，Zm00001eb358220在24小时接种后（hpi）被强烈诱导超过4倍，随后逐渐下降至96 hpi时接近基线水平；Zm00001eb267590从24 hpi开始持续上升。两个玉米基因型PHW03（对亚洲玉米螟高度感病）和LH162（高度抗虫）在ACB为害2小时后表现出一致的ZmSNF7基因转录响应，Zm00001eb126990和Zm00001eb195640被显著诱导2至3倍，而Zm00001eb045910和Zm00001eb164660被显著下调。qPCR验证实验使用B73自交系，Zm00001eb126990在ACB为害后显著上调、Zm00001eb045910显著下调，而Zm00001eb164660和Zm00001eb195640无显著变化。FPKM定量分析进一步确认了不同胁迫条件下ZmSNF7基因的差异化表达模式。
**四、讨论与结论**
在讨论部分，研究人员指出，通过以AtSNF7保守结构域氨基酸序列为查询模板，结合SNF7家族特异性HMM，经两轮全基因组筛选并利用保守结构域数据库验证，最终在玉米中鉴定到20个SNF7家族成员，填补了玉米中SNF7基因家族系统鉴定的空白。聚类分析将20个ZmSNF7蛋白分为三个亚家族，同一亚家族成员共享高度一致的保守基序分布模式，但基因结构和三维蛋白结构预测未检测到明显的亚家族特异性分化，表明SNF7家族的亚家族分化主要由序列变异驱动，而非基因外显子-内含子结构或整体蛋白空间构象的剧烈重塑。
Zm00001eb171860在该家族中表现出独特的进化特征：它是唯一在Mo17和草种SK基因组中无可检测共线性直系同源拷贝的成员，仅保留10个核心保守基序中的2个，额外携带一个功能未知的DUF1639结构域，三级结构与其他成员无显著相似性，在所有组织中转录本丰度极低，且是唯一不能与其他ZmSNF7旁系同源蛋白互作的成员。该基因的起源可能归因于嵌合基因形成事件，或代表一个高度分化或注释不佳的基因组位点。
启动子顺式作用元件分析发现ABA和MeJA响应元件在大多数ZmSNF7基因启动子中广泛分布，提示ZmSNF7成员可能受ABA和MeJA依赖的转录调控。结合蛋白结构保守性和功能分化潜力分析，推测ZmSNF7成员通过蛋白结构分化与启动子调控元件特异性分布的双重机制实现了功能特化。多个转录组数据集的系统挖掘为ZmSNF7家族的胁迫耐受功能提供了直接的转录水平证据，多种ZmSNF7成员在干旱、RBSDV侵染、禾谷炭疽菌感染和ACB取食等胁迫下表现出显著差异表达。qRT-PCR结果与公共转录组数据大体一致，少数差异主要归因于实验体系差异，如PEG 8000模拟干旱替代自然土壤干旱、B73自交系与原始转录组研究使用的玉米种质遗传背景不同。
基于表达谱分析，研究人员确定了三个胁迫响应候选基因（Zm00001eb126990、Zm00001eb045910和Zm00001eb164660）用于后续功能验证。其中Zm00001eb126990在干旱胁迫下下调，但在病毒侵染和虫害取食下显著上调，表明单个家族成员可同时整合生物和非生物胁迫信号，是玉米胁迫交叉对话网络中的关键调控节点。ZmSNF7家族同时覆盖干旱、病毒侵染、真菌病原感染和虫害取食四种典型田间胁迫，成员间存在明确的功能分化和表达差异，通过分工协作形成多层级的时序调控网络。
研究结论部分指出，本研究在玉米基因组中共高置信度鉴定到20个SNF7基因，系统发育聚类将这些基因分为三个不同亚家族，其成员共享高度保守的基序组成。启动子顺式作用调控元件、PPI网络和GO注释的综合分析揭示，ZmSNF7蛋白与ESCRT复合体互作，介导细胞内蛋白质分选和降解，从而调控植物激素信号传导和对多种环境刺激的响应。基于422份覆盖多种组织和器官的玉米样品RNA-seq转录组数据表明，大多数ZmSNF7基因在玉米整个生长发育阶段表现出中等表达水平。对生物和非生物胁迫下转录组数据集的进一步挖掘和再分析表明，ZmSNF7基因家族对干旱胁迫、RBSDV侵染、禾谷炭疽菌侵染和ACB取食均有响应。该研究完成了玉米SNF7基因的全基因组鉴定，增进了对玉米生长发育和抗逆性状遗传基础的理解。
