玉米ARF家族基因在雌花序发育过程中的表达分析

王景超 程彬 于晓菲 齐云 于军 张君 张娟

摘要 利用实时定量PCR方法对玉米中的35个ARF家族基因在雌花序不同发育时期的表达模式进行了分析。利用Genevestigator网站中转录组数据库的信息，分析发现，玉米7个不同发育时期均有1到多个ARF基因表达，表明ARF家族基因在玉米不同发育时期的调控中发挥重要作用。转录组数据还显示，每个ARF基因均在玉米花序发育时期具有较高表达水平。为了探究玉米雌花序发育过程中ARF基因家族的表达模式，利用qRT-PCR技术对玉米ARF家族成员在雌花序不同发育时期的基因表达水平进行了检测。根据ARF基因的表达模式，可将这35个基因分成4类：第1类的15个ARF基因在小穗对原基（SPM）时期高表达;第2类的13个ARF基因在小穗原基（SM1）时期高表达;第3类的6个ARF基因在花器官原基（F）时期高表达;第4类的1个ARF基因在花原基（FM）时期高表达。研究结果表明，玉米ARF家族基因在雌花序不同发育时期发挥重要作用。该研究将为解析玉米ARF家族基因在雌花序生长发育过程中的生物学功能提供重要信息。

关键词 ARF;雌花序;表达;玉米

中图分类号 S513  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2021）24-0132-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.24.031

Expression Analysis of ARF Family Genes in Female Inflorescence Development of Maize

WANG Jing-chao， CHENG Bin， YU Xiao-fei et al

（Shandong Product Quality Inspection Research Institute， Jinan， Shandong 250100）

Abstract In this study， we analyzed the expression patterns of 35 members of this gene family in female inflorescences at different developmental stages.Using the information of the transcriptome database in Genevestigator website， it was found that one or more ARF genes were expressed in maize at seven different developmental stages， indicating that ARF family genes regulate different developmental processes cooperatively. In addition， each ARF gene was expressed at a high level during inflorescence development. In order to explore the role of ARF family members in the development of female inflorescences of maize， we used real-time quantitative PCR to detect gene expression levels in six female inflorescences at different developmental stages. According to the expression pattern of ARF gene， the 35 ARF genes could be divided into four classes： the first class， 15 ARF genes were highly expressed in spikelet-pair meristem （SPM）;in the second class， 13 ARF genes were highly expressed in spikelet meristem （SM1）. Six ARF genes of the third class were highly expressed in flower organ meristem （F） stage， and one ARF gene of the fourth class was highly exprossed in floral primorclium （FM） stage. These results indicated that ARF gene plays an important role in the development of female inflorescence in maize. The results of this study will provide important information for studying the function of ARF gene in the development of female inflorescence in maize.

Key words ARF;Female inflorescence;Expression;Maize

作者簡介 王景超（1988—），男，山东济南人，工程师，从事肥料检测研究。

通信作者，研究员，从事肥料检测研究。

收稿日期 2021-08-16;修回日期 2021-08-19

生长素信号转导过程涉及多种早期响应基因，如GH3、AUX/IAA、SAUR基因家族和能与生长素响应元件（AuxREs）相互作用的生长素响应因子ARF（auxin response factor）基因家族[1]。ARF基因调控生长素参与许多生物学过程，如向性运动、顶端优势等[2-4]。研究显示，ARF基因家族存在于双子叶和单子叶植物中，但在其他生物物种中却并未发现，说明ARF基因家族是特异存在于植物中的一类基因[5]。拟南芥中有22个ARF成员[6]，其中MP/ARF5蛋白在胚胎发生与维管形成过程中发挥着重要作用[2]，NPH4/ARF7蛋白影响拟南芥植株的向光性和向重力性[3]。此外，水稻中的OsARF1受生长素的诱导，参与胚芽鞘的向性运动[4]。通过玉米全基因组序列比对分析，共得到35个ARF候选基因，并对其基因结构、染色体位置和进化关系等进行了分析[7]，但对基因生物学功能的研究相对较少。生长素合成基因YUC家族和转运基因PIN家族均在玉米雌花序原基的发育过程中发挥作用[8-10]，但ARF基因家族在玉米雌花序生长发育过程中的生物学功能鲜见相关报道。为此，笔者利用qRT-PCR技术对35个玉米ARF基因在不同发育时期雌花序中的表达水平进行了检测，以期为解析玉米ARF基因家族在雌花序生长发育过程中的生物学功能提供重要信息。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参照李文兰等[9]的取材时期，对处于花序原基、小穗对原基、小穗原基早期、小穗原基后期、花原基期和花器官原基期6个不同时期的雌花序分别取材，迅速用液氮进行冷冻，并置于-80 ℃冰箱保存，用于实时定量PCR分析。试验选用的材料是玉米B73自交系。

1.2 RNA提取和实时定量PCR分析

利用Trizol试剂提取不同样品的总RNA，根据反转录试剂盒说明书的提示完成cDNA的合成与纯化。利用Bio-Rad CFX96实时定量检测系统（Bio-Rad，Hercules，CA，USA）对不同样品进行实时定量PCR分析，所用的定量引物序列见表1。将玉米的18S rRNA基因作为实时定量PCR的内参基因。得到的试验数据利用SPSS 18.0软件进行差异性分析。

1.3 利用转录组数据对ARF基因进行表达分析

通过玉米ARF基因的ID号（来源于MaizeGDB数据库）在Genevestigator网站（http：//www.genevestigator.com/gv/）进行转录组数据分析，获得玉米ARF家族基因在不同发育时期的表达模式[11]。

2 结果与分析

2.1 玉米ARF家族基因在不同发育时期的表达模式

为了探究玉米ARF家族基因在不同发育时期的表达模式，利用Genevestigator网站中转录组数据库的信息分析了ARF家族基因在7个不同发育时期（灌浆期、果穗形成期、萌发期、开花期、花序形成期、茎伸长期和幼苗期）的表达水平。从图1可见，除了ARF9、ARF19、ARF26和ARF28这4个基因的表达信息未检测到，其他31个玉米ARF基因的表达信息均有获得。在检测的7个不同发育时期，均有1到多个ARF基因有表达，说明ARF家族基因在玉米不同发育过程中发挥协同调控作用，并且这些ARF基因在花序发育过程均有较高水平表达，而李文兰等[12]的实时定量PCR结果显示，多个玉米ARF基因均在花序中优势表达，推测玉米ARF基因在花序发育过程中发挥着重要功能。

2.2 玉米ARF家族基因在雌花序发育过程中的表达

玉米雌花序的发育通常与产量密切相关。前人研究表明，生长素合成相关基因YUC家族和生长素转运相关基因PIN家族在雌花序原基的发育过程中发挥作用[9]。为了探究玉米ARF家族基因在雌花序不同发育时期的作用，笔者通过qRT-PCR技术对35个玉米ARF家族基因在6个不同发育时期雌花序中的基因表达量进行了检测。

从图2可见，根据ARF基因在雌穗发育6个不同时期的表达模式，可将这35个基因分成4类。第1类包括ARF3、ARF4、ARF8、ARF9、ARF10、ARF12、ARF14、ARF17、ARF23、ARF25、ARF26、ARF27、ARF29、ARF31和ARF33这15个基因，在SPM时期高表达;第2类包括13个基因，分别是ARF1、ARF2、ARF5、ARF6、ARF7、ARF11、ARF13、ARF18、ARF20、ARF21、ARF22、ARF24和ARF30，在SM1時期高表达;第3类包含6个基因，分别是ARF15、ARF19、ARF28、ARF32、ARF34和ARF35，在F时期高表达;第4类包含1个基因ARF16，在FM时期高表达。SPM时期是小穗对原基形成期，SM1时期是小穗原基形成期，F时期是花器官原基形成期，ARF基因在这4个时期高表达，表明ARF基因在玉米雌花序发育过程中发挥重要作用。

3 讨论与结论

生长素是植物侧生器官与腋生原基起始的一种重要信号[13]。ARF基因作为一类生长素响应因子，通过与生长素响应元件（AuxREs）相互作用来激活或抑制生长素调控基因的转录，进而调控植物的生长发育[14]。拟南芥中的ARF17精细调控花药发育和花粉形成[15]，ARF2-5是雌雄配子体发育所必需的[16];黄瓜中的Csa019264和Csa019265（AtARF8的同源基因）在单性结实和非单性结实品种中的表达水平差异大，可能参与了果实的发育和形态建成[17]。以上结果表明，ARF基因家族在生殖器官发育过程中发挥重要作用，并且在花序发育过程中的功能相对保守。

前人研究表明，玉米中有35个ARF基因[7]。笔者利用qRT-PCR技术对玉米35个ARF成员在不同发育时期雌花序中的表达模式进行了分析，结果显示，有15个ARF基因在SPM时期高表达，有13个ARF基因在SM1时期高表达，有6个ARF基因在F时期高表达，有1个ARF基因在FM时期高表达，表明玉米ARF基因参与雌花序不同发育时期的调控过程，也印证了ARF基因在花序发育过程中的功能保守。

通过对ARF家族基因在玉米雌花序发育过程中的表达模式进行分析，发现ARF家族基因主要在玉米雌花序发育的小穗对原基期、小穗原基早期和花器官原基期中具有较高的表达量，表明ARF基因在雌花序各类原基形成过程中发挥重要作用。

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