ZmARR2通过氧化还原（redox）相关通路促进玉米盐胁迫耐受性

《The Crop Journal》：ZmARR2 promotes salt tolerance in maize through a redox-related pathway

　　

土壤盐渍化通过破坏离子与氧化还原（redox）稳态严重限制作物生产力。由Type-B Arabidopsis response regulator（B-ARR，拟南芥响应调节因子B型）介导的细胞分裂素（cytokinin）信号已被认为参与植物胁迫适应，但玉米（Zea mays）中B-ARR在盐胁迫响应下的下游转录靶标与调控网络尚未被系统阐明。研究人员在玉米基因组中鉴定出9个type-B ARR基因，多数成员表达受盐胁迫响应，其中ZmARR2诱导最强。ZmARR2编码具有转录激活活性的转录因子。功能缺失zmarr2突变体对盐胁迫更敏感，膜损伤更重；过表达ZmARR2植株Na+含量改变且盐胁迫下存活增强。DNA亲和纯化测序（DAP-seq）与RNA测序（RNA-seq）显示其靶基因参与氧化还原酶（oxidoreductase）活性、金属离子结合与蛋白质折叠。整合分析与原位荧光素酶报告实验表明ZmARR2正调控ZmRBOH4，该基因编码呼吸爆发氧化酶同源蛋白（respiratory burst oxidase homolog，RBOH），负责活性氧（reactive oxygen species，ROS）产生，可能通过调控ROS介导信号参与耐盐。研究将ZmARR2确定为ZmRBOH4依赖ROS信号调控因子，为玉米中细胞分裂素介导盐耐受提供分子证据。

研究背景方面，土壤盐渍化因气候变化与过度灌溉持续扩张，高NaCl抑制光合与蛋白合成，引发活性氧（reactive oxygen species，ROS）过量、氧化胁迫、离子毒性和营养失衡。细胞分裂素（cytokinin）信号经组氨酸激酶、磷酸传递蛋白到ARR的多步磷酸中继传导，Type-B ARR（B-ARR）为转录激活因子，拟南芥与水稻中B-ARR或A-ARR功能存在物种差异；玉米中ZmRR1等已有研究，但玉米B-ARR尤其是盐胁迫功能未系统研究。该研究由西北农林科技大学农学院团队开展，论文发表于《The Crop Journal》。研究人员鉴定玉米9个B-ARR，发现ZmARR2受盐和6-BA诱导最强，通过EMS突变体、CRISPR/Cas9敲除（knockout，KO）与过表达（overexpression，OE）材料证明ZmARR2正调控盐耐受；整合RNA-seq与DAP-seq鉴定178个高置信靶基因，并验证ZmARR2直接正调控ZmRBOH4，意义在于揭示玉米细胞分裂素信号通过redox相关通路耐盐的物种特异性机制，为育种提供候选基因。

主要关键技术方法：样本来自玉米自交系B73与KN5585及衍生的EMS诱导突变体zmarr2-1、zmarr2-2、CRISPR/Cas9 KO系与Ubiquitin启动子驱动OE系；采用RT-qPCR分析组织与胁迫表达，酵母转录激活实验与核定位实验表征ZmARR2，RNA-seq比较WT/KO/OE在盐胁迫下根叶转录重编程，DAP-seq以KN5585基因组DNA富集ZmARR2结合位点，双荧光素酶报告实验验证靶基因转录调控。

3.1 Identification, promoter analysis, and expression profiling of maize B-ARR genes

研究人员用隐马尔可夫模型以REC_typeB_ARR-like与Myb-SHAQKYF结构域鉴定出9个非冗余B-ARR（ZmARR1–9），染色体定位显示ZmARR2与拟南芥AtARR10、AtARR12及水稻OsRR22聚为一支；启动子含ABRE、MYB、MBS、LTR等胁迫元件；公共转录组与RT-qPCR表明ZmARR2在根、茎尖分生组织高表达，盐与6-BA处理下叶片12 h、根3 h显著诱导，是候选耐盐因子。

3.2 ZmARR2 functions as a nuclear transcriptional activator that enhances salinity-stress tolerance

ZmARR2-GFP定位于细胞核，MYB-like结构域单独具转录激活能力。EMS与CRISPR KO幼苗盐胁迫下叶黄化、存活率降低、MDA升高、SOD/POD/CAT活性下降；OE系存活率显著提高。离子测定显示OE系地上部Na⁺升高、根部Na⁺与K⁺降低，提示ZmARR2通过根到冠Na⁺再分配缓解根毒害。

3.3 Identification of target genes of ZmARR2

RNA-seq在根、叶分别定义六大表达簇，根富集跨膜运输、过氧化氢分解，叶富集谷胱甘肽代谢与胁迫响应。DAP-seq获5429个结合峰对应4461个基因，与叶DEGs交集得178个高置信靶：正调基因富蛋白质折叠、叶绿体、氧化还原酶（oxidoreductase）活性，负调基因富转录因子活性与金属离子结合。ZmRBOH4启动子有结合峰，RNA、RT-qPCR与双荧光素酶证实ZmARR2正调控ZmRBOH4，指向redox相关通路。

讨论部分总结：ZmARR2是核内转录激活因子，盐与细胞分裂素信号汇聚诱导其表达，形成激素—环境整合回路；与拟南芥AtARR10/12、水稻OsRR22负调耐盐不同，ZmARR2正调玉米耐盐，体现禾本科B-ARR功能分化。其机制不是单纯减少Na⁺吸收，而是促进Na⁺从根向冠转运并在冠部液泡隔离，同时激活氧化还原酶、蛋白质折叠、叶绿体保护，抑制金属离子结合与次级转录因子。研究提出ZmARR2—ZmRBOH4—ROS工作模型，并指出苗期可控条件结果需田间多环境验证。

结论部分翻译：综上，研究人员证明ZmARR2直接靶向编码ROS产生呼吸爆发氧化酶同源蛋白的ZmRBOH4，建立细胞分裂素（cytokinin）信号与氧化还原（redox）调控间分子联系以赋予玉米盐胁迫耐受性。不同于水稻与拟南芥中功能为负向的同源物，ZmARR2通过影响组织特异性Na⁺再分布与氧化还原酶相关通路转录重编程，作为盐胁迫耐受正向调控因子起作用。这些发现揭示了禾本科中B-ARR功能的谱系特异性分化，并为玉米盐胁迫耐受遗传改良提供候选靶点。