ZmPOD5在玉米对干旱胁迫的响应中起着正向调节作用

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研究背景

第三类过氧化物酶(POD)是植物特有的酶，在植物的生长发育和对非生物胁迫的响应中起着至关重要的作用。然而，在玉米中关于PODs对干旱胁迫的响应的研究还很少。

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文章介绍

2025年，中国农业科学院郑军团队在Plant Science 上发表了一篇题为ZmPOD5 positively regulates drought tolerance by modulating ROS production的文章。本研究揭示了ZmPOD5在玉米对干旱胁迫的响应中起着正向调节作用。这项研究将对PODs在玉米抗旱性调节中的作用提供新的见解。

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研究结果

第三类POD酶参与植物对各种非生物胁迫的反应。为了阐明它们在玉米中的生物学功能，我们构建了125个III类POD基因的系统发育树。系统发育分析将这125个PODs划分为12个不同的亚类。在V亚群中也发现了一个干旱反应基因ZmPRX1(Zm00001d040702)。我们对V亚群中的5个基因(Zm00001d009140、Zm00001d040705、Zm00001d009138、Zm00001d037547和Zm00001d037550)进行了qRT-PCR分析，以研究V亚群其他成员的潜在干旱反应。值得注意的是，Zm00001d009138和Zm00001d037550的转录水平分别在脱水处理后6小时和12小时显著上调。在持续干旱胁迫(2-4天)下，只有ZmPOD5(Zm00001d037550)的表达水平持续高于其他4个基因。ZmPOD5的启动子分析确定了多种胁迫响应顺式作用元件，包括脱落酸(ABA)响应元件、厌氧响应元件、MYB结合位点和W-box。综上所述，这些结果表明ZmPOD5在玉米干旱胁迫反应中起着关键作用(图1)。

图1.干旱胁迫下ZmPOD5的表达模式

从玉米突变体库中获得了ZmPOD5Splice_Site_Region突变体(ems3-06a97c)。为了探讨ZmPOD5在抗旱性中的作用，在干旱处理前，ems3-06a97c突变体和野生型(B73)植株表现出相似的生长表型。在保持水分20天后，ems3-06a97c突变体表现出对干旱的敏感性，成活率和相对含水量(RWC)较低，失水率、丙二醛(MDA)含量和相对电导率(REC)水平高于B73。使用CRISPR/Cas9系统产生ZmPOD5基因敲除突变体(KO1，KO2)。在干旱胁迫处理16-20天后，ZmPOD5-KO突变体表现出比WT更严重的叶片枯萎和卷曲，表现为存活率显著下降。ZmPOD5-KO突变体的失水率显著高于WT突变体。与WT相比，ZmPOD5-KO突变体显示出较低的RWC和较高的MDA和REC水平。这些生理反应与ems3-06a97c突变体中观察到的一致(图2)。

图2.ZmPOD5-KO突变体在干旱胁迫下的生理反应

我们产生了ZmPOD5的两个过表达系(OE7和OE17)。经过干旱胁迫处理后，ZmPOD5-OE系表现出更强的抗旱性，比WT系具有更高的存活率和更低的失水率。为了进一步研究对干旱胁迫的生理反应，ZmPOD5OE品系表现出显著高于WT植株的RWC、较低的MDA含量和REC水平。综上所述，这些结果表明ZmPOD5在玉米的耐旱性方面起到了调节作用(图3)。

图3. 过表达ZmPOD5提高玉米的抗旱性

我们在干旱条件下对玉米叶片进行了H2DCFDA荧光染色，以确定ZmPOD5是否调节干旱胁迫下ROS的积累。在正常生长条件下，所有基因型的ROS水平都很低。然而，与WT相比，ZmPOD5-KO和ems3-06a97c突变体在干旱胁迫处理7天后表现出更高的ROS积累。相反，ZmPOD5-OE株系在此阶段表现出与WT植株相当的ROS水平。值得注意的是，经过10天的干旱胁迫处理后，ZmPOD5-OE品系的ROS水平显著低于WT。我们进一步测定了ZmPOD5-OE系、ZmPOD5KO突变体、ems3-06a97c突变体和WT的O2·−含量，这是ROS产生过程中基态氧的一级还原产物。在正常生长条件下，所有基因型的O2·−水平相似。然而，ZmPOD5-OE品系表现出较低的O2·−水平，而ZmPOD5-KO和ems3-06a97c突变体在干旱胁迫下表现出显著较高的O₂·⁻水平，这与染色观察一致。此外，在干旱胁迫下，ZmPOD5-KO和ems3-06a97c突变体的ROS清除/抗氧化酶活性显著低于WT植株，而ZmPOD5-OE突变体的ROS清除/抗氧化酶活性高于WT植株。综上所述，这些结果表明，ZmPOD5通过调节玉米体内的ROS清除/抗氧化系统，直接或间接地调控干旱胁迫下ROS的积累(图4)。

图4.ZmPOD5参与干旱胁迫下玉米体内ROS的清除

我们对干旱胁迫下WT、KO2和OE7植株苗期叶片进行了转录组测序分析。在KO2-vs-WT组中，共鉴定出3033个差异表达基因(1736个上调和1297个下调)，在OE7-vs-WT组中鉴定出3266个差异表达基因(1090个上调和2176个下调)。维恩图显示两组之间有392个角重叠。其中，320个DEGS在KO2植物中上调，在OE7植物中下调，而只有72个DEGS在KO2植物中下调，在OE7植物中上调。GO富集分析表明，这392个DEGS与多种生物过程相关，包括对刺激的响应、防御反应、氧化还原过程和对含氧化合物的响应，这表明ZmPOD5可能通过调节玉米的ROS相关和多个胁迫途径来响应干旱胁迫。干旱胁迫下，刺激反应基因Zm00001d038728(ZmTPS1)和Zm00001d005460(ZmCRT2)在KO2植物中表达下调，在OE7植物中表达上调。相反，Zm00001d009626(ZmPP2C12)和Zm00001d023529(ZmASR1）表现出相反的表达模式。参与氧化还原过程的基因，包括Zm00001d050495(ZmALDH7B4)和Zm00001d021596(ZmAPRL1)，在干旱胁迫下在KO2植物中下调，而在OE7植物中上调。相反，Zm00001d027710(ZmPOD60)和Zm00001d054044(ZmCAT3)在KO2植物中上调，而在OE7植物中下调，这表明干旱胁迫下ROS清除的复杂性。这些结果表明，ZmPOD5通过直接或间接调节刺激通路和ROS清除相关基因在干旱胁迫反应中发挥作用（图5）。

图5.干旱胁迫下ZmPOD5调控差异表达基因的转录组分析

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研究结论

综上所述，本研究在玉米干旱胁迫诱导下高度诱导的III类POD家族中发现了ZmPOD5基因(Zm00001d037550)。功能鉴定表明，ZmPOD5的过表达显著提高了玉米的抗旱性，而ZmPOD5-KO和ems3-06a97c突变体表现出相反的表型，表明ZmPOD5是一种抗旱性的正调控基因。此外，我们还发现ZmPOD5通过调节ROS积累和提高ROS清除/抗氧化酶SOD和POD的活性来调控玉米对干旱胁迫的适应。

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