《Plants》：Genome-Wide Analysis of YABBY Gene Family Reveals ZmYABBY8 as a Central Regulator Involved in Drought and Heat Stress Tolerance in Maize
Liqin Li,
Rui Li,
Lian Jin,
Miaoyun Xu and
Yuncai Lu
编辑推荐：
本文通过整合比较基因组学、系统发育、共表达网络与分子实验，系统解析了玉米YABBY基因家族的进化保守性与功能分化，发现该家族在26个玉米自交系中高度保守，但部分成员（如ZmYABBY5/6/9）呈现正选择信号。研究重点揭示了ZmYABBY8在干旱胁迫下显著诱导表达，其启动子富含ABRE、DRE等胁迫响应顺式元件，并通过亚细胞定位验证其定位于细胞核，表明ZmYABBY8是连接发育调控与逆境应答的关键枢纽基因为抗逆育种提供新靶点。
玉米YABBY基因家族的鉴定与系统发育分析
研究首先在玉米基因组中鉴定出12个ZmYABBY基因，均包含典型的N端C2C2型锌指结构域和C端YABBY结构域。通过构建包含拟南芥、水稻、高粱等8个物种的系统发育树，这些基因被划分为FIL/YAB3、YAB5、YAB2、CRC和INO五个保守亚家族。保守基序和结构域分析进一步验证了同一亚家族成员具有相似的基序组成，且所有ZmYABBY蛋白均包含这两个保守结构域，证实了它们作为YABBY家族成员的身份。该家族在26个玉米自交系中均稳定存在，构成了一个核心基因集。
ZmYABBY基因在不同玉米品种中的选择压力分析
通过计算26个玉米品种中每个ZmYABBY基因的非同义替换（Ka）与同义替换（Ks）的比值（Ka/Ks），发现大多数ZmYABBY基因的Ka/Ks值集中在1以下，表明它们在进化中主要受到纯化选择作用。其中，ZmYABBY8的Ka/Ks值分布最为受限，持续接近于零，意味着其功能受到了极强的纯化选择以保持保守。相比之下，ZmYABBY6等基因在某些品种中Ka/Ks值大于1，分布范围更广，暗示其可能在特定玉米品种中经历过正选择。ZmYABBY5、ZmYABBY6、ZmYABBY7、ZmYABBY9和ZmYABBY10在多个品种中Ka/Ks值大于1的频率较高，提示这些基因在玉米驯化或多样化过程中可能经历了不同程度的正选择。
玉米与其他植物中YABBY基因的共线性分析
共线性分析显示，YABBY基因家族在玉米主要杂种优势群中呈现出整体保守、局部差异的进化模式。在温带参考系B73与热带系CML52、CML247、Ki3以及特用玉米组HP301、P39之间，YABBY基因存在完全的一对一对应关系，表明该家族的核心基因组结构受到强大的进化约束。然而，在10号染色体上，B73中的ZmYABBY12在Oh7B、Mo18W和Ki3中缺乏共线性对应基因，这种谱系特异性缺失表明特定成员可能在特定杂种优势群中经历了基因丢失或快速分化。与禾本科植物（如二穗短柄草、水稻、高粱、谷子）的比较显示出广泛的共线性区块和大量的同源基因对，表明YABBY家族在禾本科内高度保守。而与拟南芥、大豆、番茄、马铃薯等双子叶植物的比较则显示共线性的同源基因数量显著减少，揭示了单子叶与双子叶植物之间在该基因家族上的显著进化分歧。
玉米YABBY蛋白的三维结构与互作分析
对全部12个ZmYABBY蛋白的三维结构预测表明，每个蛋白均由一条多肽链构成，三级结构主要由α螺旋、延伸链和无规则卷曲组成，均包含蓝色的YABBY结构域模块和粉红色的C2C2锌指结构域模块，显示出高度的保守性。蛋白质-蛋白质互作（PPI）网络分析显示，ZmYABBY蛋白与参与转录调控、发育和植株构型的多个蛋白家族存在互作。其中，ZmYABBY3在网络中处于中心位置，连接边最多，暗示其可能扮演更广泛的调控角色。不同亚家族成员表现出与特定功能伙伴互作的特异性模式，表明玉米YABBY家族经历了功能分化。
YABBY家族基因在不同玉米组织及高温干旱胁迫下的表达分析
利用RNA-Seq数据对19种不同玉米组织的表达谱分析显示，ZmYABBY基因优先在花器官中表达，呈现出器官特异性表达模式。例如，ZmYABBY12、4、10在雌花序中高表达；ZmYABBY8和6在雌、雄花序中均高表达；ZmYBY7和3在小穗中高表达；而ZmYABBY9则特异在雄花序中表达。这表明YABBY家族在玉米中主要参与花器官形态建成等生殖发育过程。在高温和干旱胁迫下，大多数响应基因受高温影响更为显著。ZmYABBY1、8、5、9在高温胁迫下特异性下调，而ZmYABBY6特异性上调。ZmYABBY2是唯一对两种胁迫均有响应的基因，在干旱下上调，在高温下下调。这些结果表明玉米YABBY基因家族可能参与了高温和干旱等非生物胁迫的响应。
玉米YABBY家族基因的共表达网络与富集分析
共表达网络分析将ZmYABBY8确定为核心枢纽基因（节点最大，连接边最多），其次是ZmYABBY12、4、3、7。基因本体（GO）富集分析显示，这些基因在细胞组分上主要定位于细胞核和膜结合细胞器；在生物过程上显著富集于花发育、生殖结构发育、胚胎发育等发育过程，以及基因表达调控和细胞代谢过程；在分子功能上富集于DNA结合、核酸结合和序列特异性转录因子活性。这进一步支持了玉米YABBY基因作为核转录因子，在调控植物生长、发育和繁殖相关基因表达中扮演关键角色。
RT-qPCR定量分析YABBY基因在高温和干旱胁迫下的表达
通过RT-qPCR对五个ZmYABBY基因在胁迫处理不同时间点（6、12、24、36小时）的表达水平进行检测，揭示了基因对胁迫的差异响应。在高温胁迫下，大多数基因（如ZmYABBY2、5、8）在多个时间点表达显著低于对照，表现出负响应。ZmYABBY6在24小时出现短暂表达升高。在干旱胁迫下，ZmYABBY8在12、24、36小时显著上调，表现出正响应；ZmYABBY9在36小时表达增加；而ZmYABBY2和5在早期时间点中度下调。胁迫条件下的共表达分析进一步将ZmYABBY8确定为核心响应节点。在高温胁迫下，ZmYABBY8与ZmYABBY2的共表达显著增强；在干旱胁迫下，ZmYABBY8与ZmYABBY6形成了一个新出现的强共表达模块。这些结果综合表明ZmYABBY基因对高温和干旱胁迫的响应存在差异，体现了家族内部的功能分化，而ZmYABBY8是整合多种胁迫响应途径的关键调控枢纽。
ZmYABBY8启动子的顺式作用元件分析
对26个玉米自交系中ZmYABBY8启动子区（约2 kb）的顺式作用元件分析发现，其启动子持续富集胁迫和激素响应元件，包括脱落酸（ABA）响应元件（ABRE、ABRE3a、ABRE4）、脱水响应元件核心（DRE-core）和干旱诱导的MYB结合位点（MBS）等。此外，还检测到与茉莉酸甲酯、乙烯、生长素、赤霉素、光响应和分生组织表达相关的元件，表明其存在一个整合多种环境和发育信号的保守调控框架。然而，比较分析显示，不同玉米亚群间这些元件的数量和排列存在显著变异。热带和亚热带品系（特别是CML材料）通常具有更复杂的胁迫相关启动子结构，而一些温带品系的模式相对紧凑。这种顺式调控多样性表明，ZmYABBY8启动子结构的基因型依赖性变异可能导致不同玉米品种在干旱胁迫下转录激活的差异。
ZmYABBY8蛋白的亚细胞定位分析
通过将ZmYABBY8的编码序列克隆到带有绿色荧光蛋白（GFP）标签的表达载体中，并在玉米原生质体中瞬时表达，实验验证了其亚细胞定位。荧光显微镜观察显示，ZmYABBY8–GFP融合蛋白的GFP信号仅在细胞核中检测到，与核标记mCherry共定位。而游离的GFP对照则分布于整个细胞质和细胞核。这证实了ZmYABBY8定位于细胞核，与其作为转录调控因子的功能一致。
ZmYABBY8介导的干旱与高温胁迫调控网络工作模型
基于上述发现，研究提出了一个ZmYABBY8介导的调控网络工作模型。在胁迫条件下，高温和干旱信号激活ZmYABBY8启动子中的胁迫响应顺式元件（如ABRE、DRE、MBS），导致ZmYABBY8的转录激活。ZmYABBY8蛋白随后参与蛋白质互作网络：在正常条件下，它与MADS8、ZmYABBY2、MWP1等发育伙伴互作；在高温胁迫下，这些互作增强；在干旱胁迫下，ZmYABBY8诱导包括渗透保护和气孔调节在内的下游过程，最终增强耐旱性。VP1等蛋白也参与高温和干旱胁迫响应。该模型阐释了ZmYABBY8如何作为核心枢纽，整合发育与胁迫信号，协调植物的适应性反应。
结论与展望
本研究通过对26个玉米基因组的全基因组分析，系统阐明了YABBY转录因子家族高度保守但在特定成员中存在功能分化的特性。研究鉴定出ZmYABBY8是一个关键的调控枢纽，其通过进化上高度保守的蛋白序列和胁迫诱导的顺式调控机制，将发育过程与高温、干旱胁迫响应相连接。其强纯化选择与胁迫诱导表达的双重特性，表明通过启动子工程、基因编辑或标记辅助选择精准调控其表达，而非改变蛋白功能，是平衡玉米生长发育与抗逆性的潜在育种策略。未来的工作应聚焦于鉴定其下游靶标、验证不同种质中的启动子单倍型，并探索其他YABBY成员在胁迫中的互补作用。这项研究为利用位于发育与胁迫适应交叉点的基因进行气候适应性作物改良，提供了概念框架和实用资源。
