玉米GRAS 基因家族的全基因組鑒定及生物信息學(xué)分析

吳占清 陳威 趙展 許海良 李豪遠(yuǎn) 彭星星 陳東旭 張明月

摘要：GRAS 基因家族是植物中廣泛存在的一類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子，在植物生長(zhǎng)發(fā)育、生物和非生物逆境脅迫、光信號(hào)和激素信號(hào)應(yīng)答等多個(gè)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。對(duì)玉米GRAS 基因家族成員的理化性質(zhì)、染色體定位、系統(tǒng)發(fā)育、順式作用元件等特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在玉米全基因組中共鑒定出49個(gè)ZmGRAS 基因，不均勻地分布于1～10號(hào)染色體上，編碼蛋白質(zhì)理化性質(zhì)差異較大，可能在不同的微環(huán)境下發(fā)揮作用。系統(tǒng)進(jìn)化分析將GRAS蛋白分為8個(gè)亞家族，可能在調(diào)節(jié)自身生長(zhǎng)發(fā)育、逆境應(yīng)答等過(guò)程中具有重要作用。玉米GRAS 基因家族的啟動(dòng)子區(qū)含有激素應(yīng)答、光響應(yīng)、脅迫應(yīng)答等多種順式作用元件，推測(cè)其可能響應(yīng)激素、脅迫等多種信號(hào)。共線性分析顯示，具有共線性關(guān)系的基因可能是染色體片段復(fù)制的結(jié)果，且屬于同一亞家族，具有相似的結(jié)構(gòu)和功能。研究結(jié)果為進(jìn)一步研究玉米GRAS 基因的功能和逆境脅迫響應(yīng)機(jī)制提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玉米；GRAS 基因家族；全基因組鑒定；生物信息學(xué)；分析

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0551

中圖分類(lèi)號(hào)：S513 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008‐0864（2024）03‐0015‐11

GRAS轉(zhuǎn)錄因子家族廣泛存在于植物中，其命名最初來(lái)自于3 個(gè)已確定的成員：GAI（gibberellic acid insensitive）、RGA（repressor repressorof GA1）和SCR（scarecrow）[1]。GRAS轉(zhuǎn)錄因子在植物生長(zhǎng)發(fā)育和信號(hào)應(yīng)答等過(guò)程中起重要作用，過(guò)表達(dá)SiGRAS40能夠提高番茄對(duì)干旱和鹽脅迫的耐受性[2]；玉米ZmGRAS20 過(guò)表達(dá)能夠引起淀粉含量下降[3]；擬南芥BrLAS過(guò)表達(dá)顯著增強(qiáng)干旱脅迫[4]。

典型的GRAS蛋白通常包含400～770個(gè)氨基酸，主要分布在細(xì)胞核內(nèi)，其N(xiāo)端區(qū)域可變，C端區(qū)域高度保守。C端包含5個(gè)不同的序列基序：LHRI（leucine heptapeptide repeatⅠ）、VHIID、LHRⅡ（leucine heptapeptide repeat Ⅱ）、PFYRE 和SAW。保守的C端區(qū)域?qū)τ诘鞍谆プ骶哂兄匾饔?，而可變的N端區(qū)域主要參與植物發(fā)育過(guò)程中蛋白的特異性調(diào)節(jié)和分子識(shí)別[1，5‐6]。在早期研究中，根據(jù)擬南芥中GRAS蛋白的結(jié)構(gòu)域位置分為7個(gè)亞家族：SCR、DELLA、Ls、SHR、HAM、PAT1 和SCL9[6]。GRAS蛋白的亞家族分類(lèi)在不同物種中也有所不同，不同亞家族GRAS轉(zhuǎn)錄因子具有不同功能。Sun等[7]總結(jié)了不同物種GRAS轉(zhuǎn)錄因子10個(gè)亞家族所具有的主要生物學(xué)功能，其中，矮牽牛HAM亞家族的功能主要是維持莖生長(zhǎng)；擬南芥SCR和SHR亞家族主要參與放射狀根的形態(tài)發(fā)育和生長(zhǎng)；水稻DLT具有參與油菜素內(nèi)酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用；毛白楊SHR亞家族具有提高生長(zhǎng)率的作用；LAS亞家族具有促進(jìn)番茄腋生分生組織形成的作用；麝香百合LISCL亞家族參與調(diào)節(jié)小孢子形成過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄；擬南芥SCL3亞家族在根細(xì)胞伸長(zhǎng)過(guò)程中整合多個(gè)信號(hào)；擬南芥和短柄草DELLA亞家族的作用分別是調(diào)節(jié)茉莉酸信號(hào)和通過(guò)GA信號(hào)途徑調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)；擬南芥、大豆、馬鈴薯中的PAT1亞家族參與干旱、鹽脅迫和激素應(yīng)答等。目前，已經(jīng)對(duì)大麥、甜瓜、綠豆、谷子等多個(gè)物種的GRAS 基因家族進(jìn)行了全基因組鑒定和生物信息學(xué)分析，都表明GRAS 基因家族在植物的生長(zhǎng)發(fā)育、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、響應(yīng)生物和非生物逆境脅迫等方面具有重要的作用?？锥苟沟萚8]在大麥基因組中共鑒定出41條GRAS 基因序列，并發(fā)現(xiàn)部分基因在大麥發(fā)育階段起重要作用。鄭玲等[9]在甜瓜中鑒定出37個(gè)GRAS 基因，對(duì)GRAS 基因的基本信息、共線性等進(jìn)行了全面分析，并發(fā)現(xiàn)GRAS 基因不同亞族共同參與調(diào)控甜瓜發(fā)育過(guò)程。張文慧等[10]在綠豆中共鑒定出58個(gè)GRAS 基因，通過(guò)對(duì)這些基因進(jìn)行全基因組分析和非生物脅迫下的表達(dá)模式分析發(fā)現(xiàn)，綠豆GRAS 基因在葉片中能夠不同程度的響應(yīng)鹽、干旱、堿和低溫等非生物脅迫，且PAT1亞家族基因?qū)G豆響應(yīng)逆境脅迫起重要調(diào)控作用。王智蘭等[11]對(duì)谷子GRAS 轉(zhuǎn)錄因子家族進(jìn)行全基因組鑒定后發(fā)現(xiàn)，谷子全基因組共包含52個(gè)GRAS 轉(zhuǎn)錄因子基因，各亞族基因具有明顯的組織表達(dá)特異性。

玉米是我國(guó)重要的糧食、經(jīng)濟(jì)和飼料兼用作物，本研究利用最新的玉米基因組數(shù)據(jù)庫(kù)獲得GRAS 家族基因，從理化性質(zhì)、系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系、基因結(jié)構(gòu)、保守結(jié)構(gòu)域、啟動(dòng)子順式作用元件、共線性等方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，為進(jìn)一步探討玉米GRAS基因的功能提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 玉米GRAS 基因家族成員的全基因組鑒定與染色體定位

玉米基因組數(shù)據(jù)集（Zm-B73-REFERENCENAM-5.0）來(lái)源于EnsemblPlants 數(shù)據(jù)庫(kù)（https：//plants.ensembl.org/index.html）。從InterPro數(shù)據(jù)庫(kù)（https：//www.ebi.ac.uk/interpro/）下載GRAS蛋白結(jié)構(gòu)域的隱馬可夫模型，并利用hmmsearch掃描玉米蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)集。獲得的GRAS 基因家族成員分別通過(guò)SMART 蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)（SMART： Main page（embl-heidelberg.de））和NCBI-CDD（Home-ConservedDomains-NCBI （nih.gov））網(wǎng)站進(jìn)行確認(rèn)，篩選在2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中均包含的GRAS 家族成員并命名。利用ProtParam（https：//web.expasy.org/protparam/）對(duì)候選GRAS 家族成員的蛋白質(zhì)分子量（molecularweight，MW）、等電點(diǎn)（isoelectric point，pI）、氨基酸長(zhǎng)度、帶負(fù)電荷殘基總數(shù)、帶正電荷殘基總數(shù)、不穩(wěn)定指數(shù)、脂肪族氨基酸指數(shù)、平均疏水性（grandaverage of hydropathicity，GRAVY）等指標(biāo)進(jìn)行分析。利用MG2C_v2.1 在線軟件（http：//mg2c.iask.in/mg2c_v2.1/）對(duì)已獲取的候選GRAS 基因進(jìn)行染色體定位。

1.2 玉米GRAS 基因家族的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建

從EnsemblPlants數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//plants.ensembl.org/Arabidopsis_thaliana/Info/Index）分別下載擬南芥、水稻、普通小麥和番茄4個(gè)物種的GRAS氨基酸序列，利用MEGA7內(nèi)置的 ClustalW，采用鄰接法（Neighbor Joining， NJ）進(jìn)行多序列比對(duì)，將自展法系數(shù)（Booststrap） 設(shè)置為1 000次重復(fù)，替代模型（substitution model）為p-distance，使用的數(shù)據(jù)子集為部分刪除（partial deletion），位點(diǎn)覆蓋率（sitecoverage cutoff）為50%，其他參數(shù)采用默認(rèn)值，構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)，并利用ITOL軟件（https：//itol.embl.de/）進(jìn)行展示。

1.3 玉米GRAS 基因家族編碼蛋白保守基序與基因結(jié)構(gòu)分析

利用MEME 5.5.0 在線工具（https：//memesuite.org/meme/tools/meme）對(duì)玉米GRAS蛋白的保守基序進(jìn)行分析，設(shè)置最大檢索保守基序數(shù)量為10，其他參數(shù)默認(rèn)。利用MEGA7.0對(duì)候選GRAS家族成員間的進(jìn)化關(guān)系進(jìn)行分析，并采用TBtools對(duì)候選GRAS家族成員的保守基序和基因結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化。

1.4 玉米GRAS 基因家族的順式作用元件預(yù)測(cè)利用 TBtools 軟件提取玉米候選GRAS 家族基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游2 000 bp 的序列。利用PlantCARE（http：//bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）對(duì)已獲得的玉米GRAS 基因家族成員啟動(dòng)子區(qū)的順式作用元件進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，并通過(guò)TBtools軟件對(duì)預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行可視化。

1.5 玉米GRAS 基因家族的共線性分析

利用TBtools 軟件的Advanced Circos 功能對(duì)玉米基因組內(nèi)的GRAS 基因進(jìn)行共線性分析并可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米GRAS 基因家族成員的理化性質(zhì)和染色體分布

玉米全基因組共鑒定出49 個(gè)GRAS 家族成員，分別命名為ZmGRAS1～ZmGRAS49（表1），編碼氨基酸長(zhǎng)度在235～809 aa，平均長(zhǎng)度568 aa；分子量變化范圍為25 649.61～89 139.89 Da，平均61 335.45 Da；理論等電點(diǎn)為4.73～9.66；帶負(fù)電荷殘基總數(shù)為25～103，帶正電荷殘基總數(shù)為25～88；不穩(wěn)定指數(shù)為32.57～66.00；脂肪族氨基酸指數(shù)為63.40～99.66；平均疏水性為-0.475～0.099，表明不同玉米GRAS蛋白理化性質(zhì)差異較大，且可能在不同的微環(huán)境下發(fā)揮作用。

染色體定位結(jié)果（圖1）顯示，ZmGRAS 家族成員分布于1～10號(hào)染色體上，其中4號(hào)染色體上數(shù)目最多，有11個(gè)ZmGRAS 基因家族成員；2號(hào)染色體上數(shù)目為9 個(gè)；9 號(hào)染色體上數(shù)目最少，只有1個(gè)成員為ZmGRAS13；8號(hào)染色體上有2個(gè)成員，分別是ZmGRAS11 和ZmGRAS19，6號(hào)和10號(hào)染色體上均有3個(gè)成員；3號(hào)和5號(hào)染色體上均有4個(gè)，1號(hào)和7號(hào)染色體上分別有7個(gè)和5個(gè)成員。這些結(jié)果表明，玉米ZmGRAS 基因家族成員在染色體上呈不均勻分布，且在染色體兩端分布的數(shù)量較多。

2.2 GRAS 家族成員在不同物種間的系統(tǒng)發(fā)育分析

為了探究玉米ZmGRASs的功能和進(jìn)化關(guān)系，利用MEGA7及其內(nèi)置的ClustalW對(duì)24個(gè)擬南芥AtGRASs、43 個(gè)水稻OsGRASs、27 個(gè)普通小麥TaGRASs、10 個(gè)番茄SlGRASs 和49 個(gè)玉米ZmGRASs氨基酸序列進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析。結(jié)果（圖2）表明，5個(gè)物種的GRAS蛋白可被分成8個(gè)亞家族，分別為L(zhǎng)AS、DELLA、SCR、SCL3、PAT、HAM、SHR和LISCL，幾乎每個(gè)物種都包含這些亞家族，表明不同物種亞家族成員的功能比較保守，LAS、DELLA 亞族中均含有3 個(gè)玉米ZmGRAS 成員，SCL3、SCR、SHR、PAT和LISCL亞族中分別含有4、5、7、8和9個(gè)ZmGRAS成員，HAM亞族中的數(shù)量最多，含有10個(gè)ZmGRAS成員。已有研究證明，不同亞家族具有調(diào)控植物根、莖、腋芽等的生長(zhǎng)發(fā)育，參與赤霉素、光信號(hào)、油菜素內(nèi)酯等信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，響應(yīng)植物對(duì)干旱、鹽脅迫等重要作用[7]，推測(cè)玉米不同亞家族的ZmGRAS 蛋白可能在調(diào)節(jié)自身生長(zhǎng)發(fā)育、逆境應(yīng)答等過(guò)程中具有重要的作用。

2.3 玉米ZmGRAS 基因家族保守結(jié)構(gòu)域和基因結(jié)構(gòu)分析

利用MEGA7.0、MEME、TBtools軟件分別對(duì)玉米ZmGRASs 編碼蛋白的保守基序與基因結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析（圖3）。

蛋白保守基序結(jié)果顯示，大多數(shù)成員都含有從Motif1到Motif10的10個(gè)Motifs，同一亞族具有相似的蛋白保守基序排列，而有些成員缺少1或多個(gè)，如在LISCL 亞家族中，ZmGRAS21 沒(méi)有Motif1，ZmGRAS37 沒(méi)有Motif8 和Motif10；在SHR亞家族中，ZmGRAS22、ZmGRAS26、ZmGRAS28均沒(méi)有Motif10；在HAM 亞家族中，ZmGRAS40、ZmGRAS43、ZmGRAS38 和ZmGRAS39 也均沒(méi)有Motif10，而ZmGRAS41 沒(méi)有Motif10、Motif2 和Motif4，ZmGRAS49 只有Motif3、Motif8 和Motif5；ZmGRAS48 有Motif3、Motif5、Motif6、Motif9 和Motif10，存在于SCL3亞家族中。總的來(lái)看，同一亞家族中的各成員具有相似的保守域，不同亞族成員間的保守域數(shù)量和組成差異較大，而且個(gè)別亞族內(nèi)不同ZmGRAS蛋白序列結(jié)構(gòu)也存在差異，這可能與不同亞家族的基因存在不同的功能有關(guān)。

基因結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示，49個(gè)ZmGRAS 家族成員的外顯子數(shù)均只有1、2 和3 個(gè)，其中ZmGRAS7、ZmGRAS10、ZmGRAS16、ZmGRAS33、ZmGRAS42 和ZmGRAS45 均含有2 個(gè)外顯子，ZmGRAS6 和ZmGRAS8 均含有3個(gè)外顯子，而其他成員的外顯子數(shù)均為1，說(shuō)明玉米ZmGRAS 家族成員的基因結(jié)構(gòu)整體比較簡(jiǎn)單，同一亞族內(nèi)基因結(jié)構(gòu)相似，結(jié)合保守結(jié)構(gòu)域分析結(jié)果，同一亞家族的基因可能具有相似的功能。

2.4 玉米ZmGRASs 家族成員啟動(dòng)子順式作用元件分析

為了進(jìn)一步研究玉米ZmGRAS 家族成員啟動(dòng)子中可能的順式作用元件及其作用，利用TBtools 軟件獲取玉米ZmGRASs 起始位點(diǎn)上游2 000 bp 的序列，并對(duì)其順式作用元件進(jìn)行分析，結(jié)果（圖4）表明，玉米ZmGRASs 啟動(dòng)子區(qū)主要含有激素應(yīng)答、光響應(yīng)、脅迫應(yīng)答等多種順式作用元件，其中，所有成員中均含有光應(yīng)答相關(guān)的響應(yīng)元件；除了ZmGRAS5、ZmGRAS11、ZmGRAS14、ZmGRAS28、ZmGRAS45 外，其余成員中均含有茉莉酸甲酯應(yīng)答相關(guān)的響應(yīng)元件；ZmGRAS11～ZmGRAS14、ZmGRAS17、ZmGRAS18等28 個(gè)成員中含有生長(zhǎng)素應(yīng)答元件；除了ZmGRAS5、ZmGRAS17 外，所有成員中均含有脫落酸響應(yīng)元件；ZmGRAS2、ZmGRAS4、ZmGRAS6、ZmGRAS7、ZmGRAS10 等26個(gè)成員中含有干旱誘導(dǎo)的應(yīng)答元件；ZmGRAS1、ZmGRAS2、ZmGRAS4、ZmGRAS6、ZmGRAS7 等26個(gè)成員中含有赤霉素應(yīng)答元件； ZmGRAS1、ZmGRAS2、ZmGRAS7、ZmGRAS9、ZmGRAS10 等27個(gè)成員中含有低溫應(yīng)答元件； ZmGRAS1、ZmGRAS2、ZmGRAS4、ZmGRAS5、ZmGRAS6 等41個(gè)成員中均含有防御和應(yīng)激響應(yīng)元件；說(shuō)明玉米ZmGRAS基因家族可能響應(yīng)激素、脅迫等多種信號(hào)。

2.5 玉米基因組內(nèi)ZmGRASs 共線性分析

利用TBtools 對(duì)玉米基因組內(nèi)的ZmGRAS 基因進(jìn)行共線性分析（圖5），共有19 對(duì)基因具有共線性關(guān)系，存在共線性的基因中有9 個(gè)位于2 號(hào)染色體上，11 個(gè)位于4 號(hào)染色體上，分別與這2條染色體上ZmGRAS 基因分布的數(shù)量一致，說(shuō)明這2 條染色體上的ZmGRAS 基因可能是片段重復(fù)的擴(kuò)增；部分ZmGRAS 基因與多個(gè)基因存在共線性關(guān)系，如位于1 號(hào)染色體的ZmGRAS28分別與2號(hào)染色體的ZmGRAS26 和7號(hào)染色體的ZmGRAS22 存在共線性，結(jié)合進(jìn)化分析結(jié)果，這3 個(gè)基因均屬于SHR 亞家族；位于10 號(hào)染色體的ZmGRAS39 分別與2 號(hào)染色體的ZmGRAS38、4 號(hào)染色體的ZmGRAS40 和5 號(hào)染色體的ZmGRAS43 存在共線性，它們均屬于HAM 亞家族，說(shuō)明具有共線性關(guān)系的基因可能是染色體片段復(fù)制的結(jié)果，且屬于同一亞家族，具有相似的結(jié)構(gòu)和功能。

3 討論

不同物種中GRAS 基因數(shù)量差異較大，在大麥、甜瓜、綠豆、谷子、水稻和大豆中分別鑒定出41、37、58、52、57 和117 個(gè)GRAS 基因[8-13]，本研究利用玉米最新基因組共鑒定出49個(gè)GRAS 基因。本研究中玉米GRAS 基因家族成員編碼蛋白的氨基酸數(shù)量變化范圍為235～809 aa，與大麥、甜瓜、綠豆、谷子等的氨基酸數(shù)量變化范圍相似，均變化較大；等電點(diǎn)變化范圍為4.73～9.66，其中47個(gè)小于7，2個(gè)大于7，偏酸性蛋白質(zhì)多，該結(jié)果與甜瓜、谷子的基本一致。這些結(jié)果表明，不同物種GRAS基因家族成員的理化性質(zhì)具有相似性。對(duì)玉米GRAS 基因家族成員的染色體定位顯示49個(gè)成員在10條染色體上呈不均勻分布，與大麥、甜瓜等的研究結(jié)果一致。

對(duì)玉米49 個(gè)GRAS 成員的基因結(jié)構(gòu)分析顯示，除了14個(gè)成員有內(nèi)含子外，其余35個(gè)成員均沒(méi)有內(nèi)含子，該結(jié)果與甜瓜中多數(shù)成員沒(méi)有內(nèi)含子一致。玉米49個(gè)GRAS 基因家族成員中，37個(gè)含有從Motif1 到Motif10 的10 個(gè)Motif，與甜瓜中37個(gè)CmGRAS 中僅有Motif5和Motif6的結(jié)果不一致，與綠豆中的蛋白保守基序結(jié)果也有較大差異[9‐10]；玉米同一亞族具有相似的蛋白保守基序排列，與綠豆、谷子結(jié)果一致[10‐11]，說(shuō)明不同物種蛋白保守基序有差異，而玉米GRAS蛋白基序相對(duì)較保守。系統(tǒng)發(fā)育分析對(duì)于研究物種的進(jìn)化關(guān)系具有十分重要的意義，分析基因家族的起源和進(jìn)化關(guān)系有利于進(jìn)一步研究其功能[14-18]。本研究對(duì)擬南芥、水稻、普通小麥、番茄、玉米5 個(gè)物種共153個(gè)GRAS 家族基因進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析，發(fā)現(xiàn)玉米GRAS 基因在8個(gè)亞家族中呈不均勻分布，與甜瓜等物種類(lèi)似[9]。

GRAS家族作為植物體內(nèi)一類(lèi)重要的轉(zhuǎn)錄因子，參與植物體內(nèi)生長(zhǎng)和發(fā)育的多個(gè)生物過(guò)程[5]，包括赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[9，19-21]、莖頂端分生組織（shoot apical meristem， SAM）形成[22]、雄性配子體發(fā)生[23]、光敏色素A信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[24]、生物和非生物抗逆性[3‐4，8，25]、胚乳細(xì)胞發(fā)育[26‐27] 等。甜瓜中的DELLA亞族通過(guò)赤霉素信號(hào)傳導(dǎo)途徑調(diào)控甜瓜生長(zhǎng)[9]，擬南芥的GAI和RGA負(fù)調(diào)控赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[19-21]；矮牽牛中的HAM介導(dǎo)來(lái)自外側(cè)器官原基和莖前脈管系統(tǒng)的信號(hào)，該信號(hào)對(duì)于維持SAM是必要和特異的[22]；百合花藥中的LISCL參與小孢子發(fā)生過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控[23]；在柳枝稷中，PVGRAS17 和PVGRAS103 基因可分別用于耐干旱和耐鹽育種[3]，擬南芥中的PAT1亞族在光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中有重要的調(diào)控作用[24]，BrLAS 過(guò)表達(dá)的植株抗旱性顯著增強(qiáng)[4]，綠豆GRAS 基因能夠響應(yīng)干旱、堿和低溫脅迫，且干旱脅迫和堿脅迫的表達(dá)模式存在相似性[10]；在玉米中，過(guò)表達(dá)ZmGRAS11 導(dǎo)致胚乳細(xì)胞變大，從而增加籽粒大小和重量，與此相一致的是，ZmGRAS11 在胚乳充盈期正調(diào)控ZmEXPB12 的表達(dá)，而ZmEXPB12 是細(xì)胞擴(kuò)增所必需的[26]，O2-ZmGRAS11模塊介導(dǎo)籽粒灌漿過(guò)程中胚乳的增效膨大[27]。在本研究中，順式作用元件分析顯示，玉米GRAS 基因家族啟動(dòng)子區(qū)主要含有激素、光、非生物逆境脅迫等響應(yīng)元件，其中激素應(yīng)答順式作用元件主要包括茉莉酸甲酯、生長(zhǎng)素、脫落酸、赤霉素、水楊酸等，非生物逆境脅迫應(yīng)答主要是干旱、低溫脅迫應(yīng)答，該結(jié)果與綠豆和谷子中的GRAS 基因家族啟動(dòng)子區(qū)也包含茉莉酸甲酯、生長(zhǎng)素、脫落酸激素應(yīng)答元件一致，而綠豆中還含有乙烯響應(yīng)元件，與甜瓜GRAS 基因家族啟動(dòng)子區(qū)也包含低溫和干旱脅迫應(yīng)答元件一致[9-11]，推測(cè)玉米GRAS基因家族可能在激素、干旱、低溫等生物和非生物逆境脅迫應(yīng)答中起重要作用。此外，本研究在玉米基因組內(nèi)發(fā)現(xiàn)19對(duì)GRAS 基因存在串聯(lián)重復(fù)和片段復(fù)制，比甜瓜中的28對(duì)共線性基因數(shù)量少[9]。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)玉米GRAS基因的全基因組鑒定和生物信息學(xué)分析為進(jìn)一步探究其功能以及響應(yīng)生物和非生物逆境脅迫的分子機(jī)制奠定重要基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］ HOU S， ZHANG Q， CHEN J， et al .. Genome-wide identi fi

cation and analysis of the GRAS transcription factor gene

family in Theobroma cacao [J/OL]. Genes （Basel）， 2022， 14（1）：

57 [2023-09-03]. https：//doi.org/10.3390/genes14010057.

［2］ LIU Y， HUANG W， XIAN Z， et al .. Overexpression of

SIGRAS40 in tomato enhances tolerance to abiotic stresses and

influences auxin and gibberellin signaling [J/OL]. Front. Plant

Sci.， 2017， 8：1659 [2023-09-03]. https：//doi.org/10.3389/fpls.

2017.01659.

［3］ WANG X， LI G， SUN Y， et al .. Genome-wide analysis and

characterization of GRAS family in switchgrass [J]. Bioengineered，

2021， 12（1）：6096-6114.

［4］ LI P， ZHANG B， SU T， et al .. BrLAS， a GRAS transcription

factor from Brassica rapa， is involved in drought stress

tolerance in transgenic arabidopsis [J/OL]. Front. Plant Sci.， 2018，

9：1792 [2023-09-03]. https：//doi.org/10.3389/fpls.2018.01792.

［5］ LU X H， LIU W Q， XIANG C G， et al .. Genome-wide

characterization of GRAS family and their potential roles in

cold tolerance of cucumber （Cucumis sativus L.） [J/OL]. Int. J.

Mol. Sci.， 2020， 21（11）： 3857 [2023-09-03]. https：//doi. org/

10.3390/ijms21113857.

［6］ BOLLE C. The role of GRAS proteins in plant signal

transduction and development [J]. Planta， 2004， 218（5）：

683-692.

［7］ SUN X， JONES W T， RIKKERINK E H. GRAS proteins： the

versatile roles of intrinsically disordered proteins in plant

signalling [J]. Biochem. J. 2012， 442（1）：1-12.

［8］ 孔豆豆，毛成志，王蕾，等.大麥基因組GRAS 基因家族的全基

因組鑒定與表達(dá)分析 [J]. 分子植物育種， 2021， 19（1）：22-33.

KONG D D， MAO C Z， WANG L， et al .. Genome-wide

identification and phylogenetic analysis of the GRAS gene

family in barley （Hordeum vulgare L.） [J]. Mol. Plant Breed.，

2021， 19（1）：22-33.

［9］ 鄭玲，閆曉曼.甜瓜GRAS家族全基因組的鑒定與表達(dá)分析[J].

江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2023， 51（11）：53-59.

［10］ 張文慧，何光鑫，王子鑫，等.綠豆GRAS 基因家族鑒定及其非

生物脅迫下的表達(dá)模式分析[J].農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào)， 2022，

30（5）：861-872.

ZHANG W H， HE G X， WANG Z X， et al .. Identification of

GRAS gene family and its expression on pattern analysis under

abiotic stress in Vigna radiata [J]. J. Agric. Biotechnol.， 2022，

30（5）：861-872.

［11］ 王智蘭，韓康妮，杜曉芬，等.谷子GRAS轉(zhuǎn)錄因子家族的全基

因組鑒定、表達(dá)分析及標(biāo)記開(kāi)發(fā) [J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào)， 2022， 36（9）：

1723-1737.

WANG Z L， HAN K N， DU X F， et al .. Identification，

expression analysis and marker development of GRAS

transcription factor in foxtail millet [J]. Acta Agric. Nucl. Sin.，

2022， 36（9）：1723-1737.

［12］ TIAN C， WAN P， SUN S， et al .. Genome-wide analysis of the

GRAS gene family in rice and Arabidopsis [J]. Plant Mol. Biol.，

2004， 54（4）：519-532.

［13］ WANG T， YU T， FU J， et al .. Genome-wide analysis of the

GRAS gene family and functional identification of GmGRAS37

in drought and salt tolerance [J]. Front. Plant Sci.， 2020， 11：

604690 [2023-09-03]. https：//doi.org/10.3389/fpls.2020.604690.

［14］ 郭棟，宋雅菲，張佳闊，等.玉米CCCH 基因家族鑒定及分析[J].

中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)， 2019， 21（8）：19-27.

GUO D， SONG Y F， ZHANG J K， et al .. Identification and

analysis of CCCH gene family in maize [J]. J. Agric. Sci.

Technol.， 2019， 21（8）：19-27.

［15］ HUSON D H， BRYANT D. Application of phylogenetic

networks in evolutionary studies [J]. Mol. Biol. Evol.， 2006， 23：

254-267.

［16］ NAM J， MA H， NEI M. Antiquity and evolution of the

MADSbox gene family controlling flower development in plants [J].

Mol. Biol. Evol.， 2003， 20（9）：1435-1447.

［17］ MOORE R C， PURUGGANAN M D. The evolutionary

dynamics of plant duplicate genes [J]. Curr. Opin. Plant Biol.，

2005， 8（2）：122-128.

［18］ TANG H， BOWERS J E， WANG X， et al .. Synteny and

collinearity in plant genomes [J]. Science， 2008， 320 （5875）：

486-488.

［19］ PENG J， CAROL P， RICHARDS D E， et al .. The Arabidopsis

GAI gene defines a signaling pathway that negatively regulates

gibberellin responses [J]. Genes Dev.， 1997， 11：3194-3205.

［20］ SILVERSTONE A L， CIAMPAGLIO C N， SUN T. The

Arabidopsis RGA gene encodes a transcriptional regulator

repressing the gibberellin signal transduction pathway [J].

Plant Cell， 1998， 10：155-169.

［21］ IKEDA A， UEGUCHI-TANAKA M， SONODA Y， et al ..

Slender rice， a constitutive gibberellin response mutant.; is

caused by a null mutation of the SLR1 gene， an ortholog of the

height-regulating gene GAI/RGA/RHT/D8 [J]. Plant Cell， 2001，

13：999-1010.

［22］ STUURMAN J， JAGGI F， KUHLEMEIER C. Shoot meristem

maintenance is controlled by a GRAS-gene mediated signal

from differentiating cells [J]. Genes Dev.， 2002， 16：2213-2218.

［23］ MOROHASHI K， MINAMI M， TAKASE H， et al .. Isolation

and characterization of a novel GRAS gene that regulates

meiosis-associated gene expression [J]. J. Biol. Chem.， 2003，

278：20865-20873.

［24］ BOLLE C， KONCZ C， CHUA N H. PAT1， a new member of the

GRAS family， is involved in phytochrome A signal transduction [J].

Genes Dev.， 2000， 14：1269-1278.

［25］ YUAN Y， FANG L， KARUNGO S K， et al .. Overexpression of

VaPAT1， a GRAS transcription factor from Vitis amurensis，

confers abiotic stress tolerance in Arabidopsis [J]. Plant Cell

Rep.， 2016， 35：655-666.

［26］ JI C， XU L N， LI Y J， et al .. The O2-ZmGRAS11

transcriptional regulatory network orchestrates the coordination

of endosperm cell expansion and grain filling in maize [J]. Mol.

Plant， 2022， 15（3）：468-487.

［27］ LI Y， MA S， ZHAO Q Q， et al .. ZmGRAS11， transactivated by

opaque2， positively regulates kernel size in maize [J]. J. Integr.

Plant Biol.， 2021， 63（12）：2031-2037.

（責(zé)任編輯：溫小杰）