中国农业科学 | 河南省农业科学院鲁晓民课题组关于玉米苯丙氨酸解氨酶（PAL）家族基因分析及ZmPAL5的功能研究

玉米（Zea mays L.）是我国重要的粮食、经济和能源作物，在生长发育过程中，常遭受多种非生物胁迫。干旱胁迫是影响玉米生长发育和产量的重要非生物胁迫因子。提高抗旱性是减少干旱胁迫下玉米产量损失的有效途径。目前，利用转基因和基因编辑等技术可实现特定基因表达水平或功能的定向优化，为玉米抗旱育种提供了新的工具。因此，挖掘玉米抗旱关键基因、揭示其抗旱分子机制，为培育抗旱玉米新品种提供基因资源和理论指导，具有十分重要的意义。

近期，河南省农业科学院粮食作物研究所/神农种业实验室鲁晓民课题组完成的题为“玉米苯丙氨酸解氨酶（PAL）家族基因分析及ZmPAL5的功能研究”的研究在《中国农业科学》2024年第57卷12期正式发表。

采用转录组数据结合加权基因共表达网络（weighted gene co-expression network，WGCNA）与抗旱性生理生化指标的筛选方法，鉴定与抗旱和复水相关的ZmPAL基因。利用生物信息学方法对编码PAL的基因进行全基因组分析。运用实时荧光定量PCR（quantitative real-time polymerase chain reaction，qRT-PCR）检测ZmPAL基因在干旱处理条件下的表达情况，以及ZmPAL5在不同自交系间的表达特性和在不同组织中的表达模式。最后，利用遗传转化分析ZmPAL5在玉米中的抗旱功能，并借助CRISPR/Cas9技术对PAL5同源基因进行缺失型拟南芥突变体的抗旱性分析。

干旱复水过程中不同模块与生理生化指标的相关性分析及集合分析

鉴定了19个玉米ZmPAL基因，其中6个基因聚集在第5染色体上，其编码蛋白多为亲水性酸性蛋白，且PAL家族基因的进化相对保守。ZmPAL基因启动子区域含有大量与激素和非生物应激响应相关的顺式作用元件。

不同物种PALs的生物信息学分析

确定了6个核心基因，其中4个基因在干旱处理后显著上调表达。尤其是ZmPAL5在干旱胁迫后表达量增加了8.57倍。在干旱胁迫和复水处理条件下，发现抗旱自交系郑8713中ZmPAL5的表达水平显著高于旱敏感自交系B73。

ZmPAL基因的共表达网络图（A）、热图（B）和干旱处理下的表达分析（C）

干旱处理下不同自交系的表型及ZmPAL5的表达分析

同时，ZmPAL5是一个组成型表达基因，在幼茎中表现出高水平的表达。过表达ZmPAL5玉米在干旱胁迫下生长良好，其相对含水量、木质素、叶绿素、可溶性蛋白、脯氨酸含量，以及超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物酶的活性分别是野生型的1.52、1.49、1.47、1.43、1.44、1.41、1.53、1.41和1.35倍，但丙二醛含量是野生型的0.65倍。PAL5缺失型拟南芥突变体对干旱敏感。在干旱胁迫下，其生理生化指标与过表达ZmPAL5玉米的指标变化趋势相反。

干旱胁迫下PAL5转基因拟南芥突变序列、幼苗表型和指标鉴定

筛选出6个响应干旱胁迫的核心基因（ZmPAL3、ZmPAL5、ZmPAL6、ZmPAL8、ZmPAL11和ZmPAL13），其中，ZmPAL5的表达量与抗旱性呈正相关。ZmPAL5通过影响渗透调节物质含量和抗氧化酶活性正向调节植物的抗旱性和恢复能力。

该研究获得河南省农业科学院杰出青年科技基金（2022JQ02）、神农种业实验室项目（SN01-2022-02）、国家自然科学基金青年基金（32201708）、河南省现代农业产业技术体系建设专项资金（HARS-02-G1）的资助。

论文链接：

《 玉米苯丙氨酸解氨酶（PAL）家族基因分析及ZmPAL5的功能研究》

引用本文：

曹丽茹, 叶飞宇, 库丽霞, 马晨晨, 庞芸芸, 梁小菡, 张新, 鲁晓民. 玉米苯丙氨酸解氨酶（PAL）家族基因分析及ZmPAL5的功能研究[J]. 中国农业科学, 2024, 57(12): 2265-2281.

CAO LiRu, YE FeiYu, KU LiXia, MA ChenChen, PANG YunYun, LIANG XiaoHan, ZHANG Xin, LU XiaoMin. Analysis of Maize Phenylalanine Ammonia-Lyase (PAL) Family Genes and Functional Study of ZmPAL5[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(12): 2265-2281.