玉米耐渍候选基因zmERF33的功能分析

A total of 194 genes of APETALA2/Ethylene Response Factor (AP2/ERF) family were identified in maize. Recent research has shown that genes in B2 group of ERF subfamily can enhance plant responses to waterlogging stress or hypoxia. This study studied twenty genes from B2 group of maize ERF subfamily. Their expression profiles in the roots of maize inbred line Hz32 (waterlogging tolerance line) and Mo17 (waterlogging sensitive line) were analyzed, respectively. Results show that zmERF33 is a candidate gene for waterlogging tolerance. Transgenic Arabidopsis plants, which over-expressed zmERF33, exhibited an improved tolerance of waterlogging. In this study, 35S::zmERF33 and 35S::△2 zmERF33 will be transferred into Mo17, respectively. Antisense 35S::zmERF33 and 35S::HA::zmERF33 will also be transferred into Hz32. For the transgenic plants above, a number of traits will be investigated, including root morphology, tissue structure, enzyme activity on fermentation pathway, and hormones levels, both in normal condition and under waterlogging stress. Efforts are made to explore the network and biological functions of zmERF33 gene. Focus has been put on explaining the molecular mechanism of waterlogging tolerance in maize. The functional analysis of zmERF33 gene will be of benefit for understanding maize responses to waterlogging stress. Hopefully, this research may play an important role in cultivating new germplasm of waterlogging tolerance in maize.

在已获得194个玉米AP2/ERF家族基因的基础上，分析了ERF亚族B2亚组20个基因在玉米自交系Hz32（耐渍系）和Mo17（敏感系）根系中的表达，发掘并克隆了1个玉米耐渍候选基因zmERF33。CaMV35s启动子驱动zmERF33基因导入拟南芥的阳性转化体，其耐渍性显著改良。本研究拟将耐渍候选基因 zmERF33、35S::△2 zmERF33遗传转化导入玉米自交系Mo17，反义 zmERF33、35S::HA::zmERF33基因导入玉米自交系Hz32，详细分析转化体的植株表型特别是根系形态、组织结构、生理生化、激素水平等的变化，以及这些性状在淹水胁迫下的变化；探索zmERF33基因所参与的表达调控网络；阐明该基因的生物学功能、与玉米耐渍性的关系及其调控玉米耐渍性的分子机制。该研究对阐明玉米耐渍性的生物学基础积累有益的资料，为利用zmERF33基因创制玉米耐渍新种质提供理论支撑。

玉米是我国种植面积最大、总产量最高的农作物。然而，我国南方降雨量充沛，季节性降雨等所造成的涝渍灾害给玉米生产造成了很大的损失。乙烯响应因子（ethylene response factors，ERF）基因参与水稻、深水稻、拟南芥的淹水胁迫响应，是这些植物耐渍性形成的关键基因。本研究使用生物信息学技术，对玉米全基因组进行了比对分析，共获得184个AP2/ERF家族基因，其中，DREB、ERF、AP2、RAV亚族基因数目分别为51、107、22、3，还有1个soloist基因。玉米自交系Hz32的耐渍性较强，在3叶1心期，进行0、1、2、4 h的淹水处理，分别取各处理根系，并进行RNA-seq分析。分析了玉米107个ERF基因在Hz32根系的表达情况，结果发现，38个基因响应淹水胁迫，其中zmERF33基因属于B2亚组，且受淹水诱导大量表达。本研究以zmERF33基因为对象，进行了遗传及生物学功能分析，发现zmERF33基因启动子含有ABA、GA、淹水胁迫响应等顺式元件，且耐渍性较强自交系Hz32与耐渍性较弱自交系B73，启动子区域存在差异。将zmERF33基因转入拟南芥中，显著提高了拟南芥的耐涝渍能力。zmERF33基因通过基因枪法，已转入玉米Hi-II中，分别得23、14个转正义、反义ZmERF33独立转化事件，其中，9、7个转正义、反义ZmERF33株系授粉结实。PCR对这16个独立转化事件检测发现，转正义、反义ZmERF33株系各有1个株系为假阳性，因此，共获得8个转正义ZmERF33株系、6个转正反义ZmERF33株系。转正义、反义ZmERF33株系，分别与A188进行回交，通过不断回交与分子标记辅助选择，将正义、反义ZmERF33基因导入到玉米自交系A188中。在BC2，各取5个正义、反义ZmERF33株系，分别组成正义（耐渍）、反义（不耐渍）池，使用BSR-seq技术，分析了2个池在正常及涝渍胁迫下的差异表达基因，初步阐述了ZmERF33基因的调控途径。经涝渍胁迫，转ZmERF33 A188苗高比对照高，同时根系比对照发达，表现出了较强的耐渍性，说明ZmERF33基因过表达能提高玉米的耐渍能力。该基因的克隆、分子调控机制的初步阐明，为玉米耐渍性的遗传改良提供了新的基因资源与理论指导。