玉米ZmPFK基因家族全基因组鉴定及响应胁迫表达分析

　　

摘要： 磷酸果糖激酶(phosphofructokinase, PFK)是糖酵解途径中的关键调控酶，作为该代谢过程的限速酶，它主导着细胞内葡萄糖代谢的速率。与此同时，已糖激酶不仅能够作为糖受体启动下游糖信号传导，还可整合多种外界信号，进而激活其他信号转导途径，参与调节植物对外界环境变化的响应机制。系统分析玉米PFK家族成员在基因组上的分布、结构、进化以及表达特性，对于深入研究该家族的生物学功能具有重要的意义。本研究基于玉米B73 (RefGen_v4)基因组信息以及转录组数据等，通过生物信息学手段对玉米B73自交系磷酸果糖激酶(PFK)家族成员进行全基因组鉴定并对其理化性质、系统发育关系、基因结构、启动子顺式作用元件以及表达特性进行了分析。结果表明，玉米B73自交系共有20个PFK家族成员，它们主要分为ATP依赖性的果糖磷酸激酶(phosphofructokinase，PFK)和焦磷酸盐依赖性的果糖磷酸激酶(phosphotransferase，PFP)，且不均匀的分布于各个染色体上。共线性分析表明，玉米PFK基因与单子叶植物水稻(Oryza sativa)具有多对同源基因，而与双子叶植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)不存在直系同源基因。启动子顺式作用元件预测表明，PFK基因具有一些与生长发育和逆境响应的结合元件。转录组数据以及qRT-PCR表明，各成员在组织表达与胁迫处理下存在不同的表达水平，并且发现了多个响应非生物胁迫(盐胁迫、干旱胁迫、热胁迫和冷胁迫)与生物胁迫(玉蜀黍平脐蠕孢菌、玉蜀黍凸脐蠕孢菌和禾谷镰孢胁迫)的ZmPFK基因，表明该家族成员在响应逆境胁迫中具有重要作用。将重组质粒pET32a-ZmPFK10转入大肠杆菌BL21中，诱导表达后的重组菌株pET32a-ZmPFK10在700 mmol L^?1 NaCl和45℃高温条件下的生长情况优于对照菌株。蛋白互作网络预测与富集分析发现，与ZmPFK蛋白存在互作的3个核心蛋白均参与糖酵解活动。上述结果为PFK家族成员的生物学功能研究提供了理论基础。