全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2015, 41(11): 16321639 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(91335110)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 张祖新, E-mail: zuxinzhang@mail.hzau.edu.cn, Tel: 027-87282689
**同等贡献(Contributed equally to this work)
第一作者联系方式: E-mail: caozheng5192@163.com, Tel: 027-87282689
Received(收稿日期): 2015-03-20; Accepted(接受日期): 2015-07-20; Published online(网络出版日期): 2015-08-05.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20150805.0926.014.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2015.01632
玉米 BEL1-like 基因家族的鉴定、表达和调控分析
曹 征 1,** 李曼菲 1,** 孙 伟 1 张 丹 1 张祖新 1,2,*
1 华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室, 湖北武汉 430070; 2 黄冈师范学院生物科学技术学院, 湖北黄冈 438000
摘 要: BEL1-like (BELL)家族蛋白是植物中普遍存在的一类具有同源异型结构域的转录因子。拟南芥中 BELL家族
蛋白能与 KNOTTED1-like 蛋白互作形成异源二聚体, 并结合到特异顺式作用元件来调控基因的表达, 从而影响植物
生长发育进程。本文采用隐马可夫(HMM)模型, 在玉米基因组中鉴定到 15个 BELL家族基因(ZmBELL), 分布于 7条
玉米染色体。通过与拟南芥 BELL 基因的序列比较将这些基因分为两大类。在玉米 8 种组织中 ZmBELL 有不同的表
达模式, 具有明显的组织表达特异性。基于基因共表达分析及 BELL-like 蛋白特异结合的顺式元件分析, 预测到 86
个可能受 ZmBELL调控的下游靶标基因。这 86 个基因和 12 个 ZmBELL 表达模式相同, 并且在基因启动子区存在与
BEL1-like蛋白结合的顺式元件。这些结果为进一步解析玉米 BELL家族基因的功能和作用机制积累了有价值的资料。
关键词: BEL1-like基因家族; 基因表达; 系统发育分析; 顺式作用元件
Genome-wide Identification, Expression, and Regulation Analysis of BEL1-like
Family Genes in Maize
CAO Zheng1,**, LI Man-Fei1,**, SUN Wei1, ZHANG Dan1, and ZHANG Zu-Xin1,2,*
1 National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2 College of Life Science,
Huanggang Normal University, Huanggang 438000, China
Abstract: The BEL1-like family (BELL) proteins, that are ubiquitous homeodomain transcription factors among plant species,
interact with KNOTTED1-like protein to regulate a range of developmental processes by binding specific cis-acting element to
modulate gene expression. BELL family genes in maize still need to be studied systematically. Here, we identified 15 BELL family
genes (ZmBELLs) in maize genome using the Hidden Markov Model (HMM). These ZmBELLs distributed non-uniformly in seven
chromosomes of maize, were clustered into two groups on the basis of the similarity with their orthologs in Arabidopsis thaliana.
Furthermore, these ZmBELLs exhibited different expression patterns in eight tissues studied, showing strong tissues-specific ex-
pression. Moreover, based on co-expression profiles and specific motif bound by BEL1-like protein, we predicted 86 genes show-
ing co-expression pattern with 12 ZmBELLs in eight tissues studied and harboring specific motif bound by BEL1-like protein in
the promoter region. The results could provide valuable informations for dissecting function and molecular mechanism of
ZmBELLs in maize.
Keywords: BEL1-like gene family; Gene expression; Phylogenetics; cis-acting element
Gehring 等(1987)发现, 一些基因突变后可产生
同源表型 , 并从中分离得到一个极为保守的序列 ,
称之为同源异型盒(homeobox)[1]。同源异型盒基因编
码具有同源异型盒结构域(homeodomain, HD)的一
类转录调控因子, 在动、植物生命发育中都扮演着
重要角色[2]。典型的同源异型盒结构域由 60个氨基
酸组成, 在三维空间中折叠形成3个螺旋区, 第1个
螺旋和第2个螺旋形成环状结构, 第二个螺旋和第3
个螺旋形成螺旋-转角-螺旋结构[3]。但某些同源异型
盒基因例外, 它们编码一个由63个氨基酸组成的非
典型DNA结合结构域, 在第一个螺旋和第二个螺旋
之间插入了3个额外的氨基酸残基(P-Y-P)[4], 这一
第 11期 曹 征等: 玉米 BEL1-like基因家族的鉴定、表达和调控分析 1633


类同源异型盒基因称为 TALE (Three Amino-acid
Loop Extension)基因家族[5-6]。在植物中, TALE基因
家族包括 KNOX (KNOTTED-like homeodomain)和
BELL (BEL1-like homeodomain)两类亚基因家族。
BELL 基因家族是 TALE 家族的一个分支, 几乎
存在于所有的生物中[7]。苔藓中有 4个 BELL家族基
因, 拟南芥和水稻中分别有 13 个[8-9]和 14 个 BELL
家族基因[10]。虽然 BELL 家族基因存在于不同物种
中 , 但它们编码的蛋白在结构上仍有高度相似性 ,
都含有一个典型的HD结构域, 在HD上游包含 SKY
和 BEL两个保守结构域[11]。这 3个保守结构域对于
BELL家族蛋白在植物体内行使功能具有重要意义。
SKY 和 BEL 特异识别并结合 KNOX 蛋白的
MEINOX结构域, 形成 BEL–KNOX异源二聚体, 进
而从细胞质转移到细胞核[12-13]。在细胞核内, 二者
的 HD 结构域特异结合到各自的靶序列上, 调控下
游基因表达[13-14]。如拟南芥 BELL 家族蛋白 BLH1
和 KNOX 家族蛋白 KNAT3 形成异源二聚体, 调控
ABA 响应基因的表达水平, 影响种子发芽和生长[15-16];
而 KNOX 家族蛋白 STM 和 BEL 家族蛋白 ATH1、
PNY、PNF 具有相似功能, 调控植物顶端分生组织
的发育[17]。虽然在植物中发现了多个 BELL 家族基
因, 但是大多数基因的功能至今未知。目前, 关于
BELL家族基因的研究大多集中在拟南芥上, 而在玉
米中还未进行。本文利用生物信息学方法 , 通过
HD、SKY 和 BEL 同源结构域在玉米基因组中搜索
BELL家族基因, 并比较分析玉米 BELL 家族基因及
其蛋白质结构, 以及这些基因的组织特异表达及其
可能调控的下游靶基因, 以期为玉米 BELL 家族基
因的研究积累有益的资料。
1 材料与方法
1.1 玉米 BELL家族基因的查找
从 TAIR (The Arabidopsis Information Resource)
网站上提取拟南芥 BELL 家族基因的氨基酸序列,
以 FASTA 格式保存。在 MaizeGDB (http://www.
maizegdb.org/)上输入拟南芥 BELL 家族基因氨基酸
序列, 根据玉米 BELL 家族蛋白同源结构域 HD、
SKY 和 BEL, BLASTp 初步筛选玉米 BELL 家族蛋
白。比对筛选到的 BELL 家族蛋白多序列(muscle
3.7), 将 BELL家族蛋白特有 SKY (E-value < 0.0055)
和 BEL (E-value < 0.00089)蛋白质序列用 hmmbuild
(hmmer3.1 b1)生成 HMM文件, 搜索玉米 B73 Pfam
(http://pfam.sanger.ac.uk/)数据库 , 进一步查找玉米
BELL 家族蛋白编码基因。根据 MaizeGDB 上查找
的基因信息, 将基因标注于玉米 10条染色体上。从
MaizeGDB 下载玉米 BELL 基因序列, 以 FASTA 格
式保存, 分别导入基因结构显示系统(GSDS, http://
gsds.cbi.pku.edu.cn/)[18], 绘制基因结构图 , 对个别
显示错误的结构图进行手工修正。
1.2 玉米和拟南芥 BELL家族基因同源进化分析
分别从 MaizeGDB 和 TAIR (The Arabidopsis
Information Resource)网站上提取玉米和拟南芥
BELL家族蛋白的氨基酸序列, 以 FASTA格式保存。
用软件 CLC Sequence Viewer (Version 6)比对氨基酸
多序列, 采用邻近算法(Neighbor-Joining, NJ, Boot-
strap 检验 1000 次)构建系统进化树。将玉米 BELL
蛋白氨基酸序列导入在线蛋白结构域分析系统
(SMART, http://smart.embl-heidelberg.de/)[19], 绘制
基因蛋白结构图, 再根据 HMM得到的 SKY和 BEL
结构域位置信息, 完善基因和蛋白结构图。然后, 根
据所预测的基因序列设计引物, 以 PCR 扩增 cDNA
序列并测序, 比较扩增序列与预测序列, 验证玉米
BELL家族基因预测序列的准确性。
1.3 玉米 BELL家族基因表达分析
从 qteller (http://qteller.com/qteller3/)下载玉米
BELL家族基因的表达量数据, 选取根、茎、叶、茎
顶端分生组织、雌穗、雄穗、胚和胚乳 8 个组织的
表达量数据, 运用 heatmap.2制作 heatmap图。进一
步, 选取 B73 的三叶期幼苗的根系、幼叶、拔节期
的茎、雌穗、雄穗以及授粉 25 d后的胚乳共 6个组
织, 采用 TRIzol试剂(Invitrogen, USA)提取总 RNA,
逆转录成 cDNA (TransScript One-Step gDNA Re-
movel and cDNA Synthesis SuperMix, TransGen Bio-
tech, China)。以 Actin1基因(GRMZM2G126010)为内
对照, 运用实时定量 PCR 方法(SYBR FAST qPCR
Kit, KAPA Biosystems, USA)检测 BELL家族基因在
6个组织中的相对表达水平。
1.4 玉米 BELL家族基因调控途径分析
基于 qteller中基因表达数据, 将玉米BELL家族
基因依次同 39 656个玉米基因进行表达量的相关性
分析 , 筛选出与 BELL 家族基因表达量显著相关
(P<0.0001)的基因。然后, 抽取表达水平显著相关基
因转录起始位点上游 1000 bp 的启动子序列, 基于
BELL家族基因特异性结合的 DNA序列(TGACAGG/
CT)[20], 筛选可能与 BELL 基因共表达且受 BELL 基
1634 作 物 学 报 第 41卷


因调控的基因。用 Gene Ontology(GO)富集预测这
些共表达基因的功能, CytoScape2.7.0 分析基因间
的关系, MAPMAN (MAPMAN 3.5.1 R2)分析基因
参与的代谢途径, 找出参与相同代谢途径的共表达
基因。
2 结果与分析
2.1 玉米 BELL家族基因的鉴定
根据 BELL家族蛋白结构域 HD、SKY和 BEL,
基于 HMM模型在玉米基因组数据库中共筛选到 15
个玉米 BELL家族成员。表 1显示, 这 15个基因分
布于 7条玉米染色体, 其中第 1染色体上有 7个, 第
5 和第 6 染色体上分别有 2 个, 第 3、第 4、第 8、
第 9染色体上各有 1个。这 15个基因序列长度不一,
ZmBELL7长约 10 kb, ZmBELL6只有 1681 bp, 大多
数基因在 5 kb左右。有趣的是, 不同基因所含外显
子数目基本相同, 除了 ZmBELL9包含 5个外显子外,
其他基因都只有 4 个外显子, 说明基因序列长度和
所含外显子数之间可能没有直接关系。另外, 同一
基因外显子长度差别较大, 如 ZmBELL7外显子长度
从 65 bp到 1327 bp不等, 可能与基因选择性剪切有
关。这些基因大多数可以产生选择性剪切转录本 ,
如 ZmBELL1有 6个转录本, ZmBELL2有 7个转录本,
ZmBELL9 可达 8 个转录本, 只有 5 个基因在现有表
达数据中只有 1 个转录本(表 1)。由于 ZmBELL1 第
1个转录本不包括 BEL家族结构域 SKY和 BEL, 故
选择第2个转录本进行后续研究, 其他的基因均用第
1个转录本进行后续研究。

表 1 玉米中的 BELL 基因家族成员
Table 1 BELL family members in maize
基因
Gene
基因号
Gene accession
Bin
基因组位置
Genome location
蛋白长度
Protein length (aa)
链
Strand
ZmBELL 1 GRMZM2G327059 1.01 5 087 124–5 092 393 620 Forward
ZmBELL 2 GRMZM2G004641 1.02 13 641 526–13 645 372 587 Reverse
ZmBELL 3 GRMZM2G064466 1.05 82 911 725–82 917 101 612 Forward
ZmBELL 4 GRMZM2G099319 1.06 179 587 260–179 591 121 668 Forward
ZmBELL 5 GRMZM2G011588 1.09 256 483 251–256 489 486 651 Forward
ZmBELL 6 GRMZM2G163761 1.09 256 513 586–256 515 267 263 Forward
ZmBELL 7 GRMZM2G396114 1.10 273 157 848–273 168 093 755 Reverse
ZmBELL 8 GRMZM2G154641 3.06 179 512 013–179 516 809 587 Forward
ZmBELL 9 GRMZM2G458728 4.09 212 321 051–212 326 509 635 Reverse
ZmBELL 10 GRMZM2G148098 5.02 13 661 784–13 666 303 639 Forward
ZmBELL 11 GRMZM2G161435 5.04 152 403 164–152 406 428 539 Reverse
ZmBELL 12 GRMZM2G013617 6.01 56 809 890–56 813 116 498 forward
ZmBELL 13 GRMZM2G125976 6.05 151 033 737–151 037 922 576 Forward
ZmBELL 14 GRMZM2G074645 8.03 95 774 317–95 779 223 549 Reverse
ZmBELL 15 GRMZM2G076272 9.03 57 185 788–57 188 160 491 Reverse

2.2 玉米BELL家族蛋白的结构域和系统进化分
析
15个 ZmBELL预测可分别编码 263~755个氨基
酸。结构域分析发现, 所有蛋白都含有同源异型结
构域 HD, 属于 homeodomain 蛋白(图 1)。在 HD 上
游, 这 15个 ZmBELL蛋白也具有 BEL保守结构域,
属于 BELL家族蛋白。但在这 15个 ZmBELL中, 只
有 12个蛋白同时具有 SKY和 BEL两个保守结构域,
这两个结构域是 BELL 家族蛋白区别于其他同源异
型盒家族蛋白的关键。而 ZmBELL15、ZmBELL11
和 ZmBELL6 并无 SKY 结构域, 暗示这 3 个蛋白的
作用机制和生物学功能与其他 BELL 蛋白的差别。
以 cDNA 序列扩增并测序证实 , ZmBELL2、
ZmBELL4、ZmBELL5、ZmBELL10、ZmBELL11 和
ZmBELL13 序列与预测一致, 仅有 ZmBELL1 在第
1708位存在一个 T/C替换, 说明 BELL基因外显子、
结构域和生物信息预测基本一致。
根据玉米和拟南芥 BELL 家族蛋白的氨基酸序
列, 利用 CLC Sequence Viewer (Version 6)软件构建
玉米和拟南芥 BELL家族蛋白的系统进化树(图 2)。
玉米 BELL 家族蛋白可以明显分为两个分支, 每个
分支又分为两大类。第一个分支含 ZmBEL 6、
第 11期 曹 征等: 玉米 BEL1-like基因家族的鉴定、表达和调控分析 1635



图 1 玉米 BELL 家族基因及其编码蛋白的结构域示意图
Fig. 1 Structure diagram of BELL genes and domains of BELL proteins in maize
直线表示内含子, 黑色圆角矩形表示外显子, 黑色椭圆表示 SKY结构域, 黑色长方形表示 BEL结构域, 黑色六边形表示 HD结构域。
The line indicates intron, black rectangle indicates exon, black oval indicates SKY domain, black rectangle indicates BEL domain, black
hexagon indicates HD domain.


图 2 玉米和拟南芥 BELL 蛋白的系统发育树
Fig. 2 Phylogenetic tree of BELL proteins in maize and
Arabidopsis
在 CLC Sequence Viewer 6中采用邻接法构建(自举检验 1000次)。
The phylogenetic tree is constructed with Neighbor-joining method
(1000 replications of bootstrap test) in CLC Sequence Viewer 6.
ZmBELL15和ZmBELL11, 与BLH5同源, 归为一类;
而 ZmBELL13、ZmBELL14 和 ZmBELL8 与 BLH9/
PNY和 BLH8/PNY同源性高, 归为另一类。第二个
分支包含 9个蛋白, 它们之间的同源关系比较复杂,
但是对于每个玉米 BELL 蛋白仍可以找到与之同源
性相对较高的拟南芥 BELL蛋白。由于玉米中 BELL
家族基因的功能大多数是未知的, 而拟南芥 BELL
基因研究的比较深入, 因此, 将拟南芥 BELL家族基
因和玉米 BELL 家族基因进行同源分析, 能为玉米
BELL家族基因功能及其调控网络研究提供指导。
2.3 玉米 BELL家族基因表达分析
从图 3可以看出, 玉米 BELL家族基因表达有明
显的组织特异性, ZmBELL9、ZmBELL1、ZmBELL2、
ZmBELL4、ZmBELL10和 ZmBELL5主要在根和茎中
表达, ZmBELL12主要在茎中表达, ZmBELL7主要在
叶片中表达, ZmBELL6在茎顶端分生组织表达量高,
Z m B E L L 11 在胚中表达量高 , Z m B E L L 1 4、
ZmBELL15、ZmBELL13 和 ZmBELL8 在雄穗和雌穗
发育器官中高水平表达, 另外 ZmBELL15在叶片中、
ZmBELL8在茎顶端分生组织中的表达也较高。在玉
米的各个组织器官中, 均有 ZmBELLs 的表达, 说明
ZmBELLs 可能参与多个组织器官发育的调控, 影响
整个植株的生长。8 个 ZmBELL 在 6 个不同组织中
的表达水平分析(图 4)表明, ZmBELL7在 B73叶片中
特异表达 , ZmBELL14 在雄穗和雌穗中表达量高 ,
Z m B E L L 1 5 在叶片、雌穗和雄穗中表达量高 ,
ZmBELL10 在幼苗根系中高水平表达。所检测的 8
个 ZmBELL 的表达模式与基于生物信息学数据分析
1636 作 物 学 报 第 41卷



图 3 15 个玉米 BELL 家族基因表达谱
Fig. 3 Expression profile of 15 BELL genes of maize
方框内颜色显示玉米 BELL基因表达水平。
Colors in square represent the expression level of maize BELL
genes.

结果基本一致。
2.4 玉米 BELL家族基因所调控的下游基因分析
相关性分析发现, 3359个基因与 15个 ZmBELL
的表达量呈极显著相关(R2 > 0.9322, P < 0.0001)。根
据 B E L L 家族蛋白特异性结合顺式元件序列
TGACAGG/CT, 在 3359 个基因的启动子中 , 经
motif筛选鉴定到 86个与 ZmBELL表达水平显著相关
且在其启动子区含有TGACAGG/CT顺式元件的下游
靶标基因(图5)。其中, 3个玉米 BELL基因的表达水平
分别仅与1个靶基因的表达显著相关, 如 ZmBELL11
的表达与GRMZM2G000674的表达正相关; 9个 BELL
基因分别可与多个靶基因的表达显著相关 , 如
ZmBELL12的表达与23个靶基因的表达呈正相关。有
趣的是, ZmBELL3、ZmBELL4和 ZmBELL5这3个基因
的表达水平均与 GRMZM2G000973的表达正相关 ;
ZmBELL1、ZmBELL3、ZmBELL4、ZmBELL5和 ZmBE-
LL9这5个基因的表达水平与 GRMZM2G059392的表
达显著正相关, 表明在玉米发育进程中可能存在多
个玉米 BELL基因共同调节1个靶基因表达的情况。
这种1个靶基因与多个 BELL基因表达相关的情况主
要发生在 ZmBELL1、ZmBELL3、ZmBELL4、Zm-
BELL5、ZmBELL9和 ZmBELL10上, 而这6个基因在
玉米多组织器官中共表达, 也暗示在玉米发育调控
中这些基因协同作用的重要性。
3 讨论
玉米 KNOTTED1(KN1)基因的功能研究揭示了
植物 heomobox 基因组织器官特异性表达在维持植
株正常发育中的重要性。玉米 KN1仅限定在茎顶端
分生组织中表达, 一旦 KN1 在叶维管束中异位表达
则诱发细胞增殖, 叶片长出“瘤状”的结[21-22]。而拟南
芥的ATH1在茎中异位表达, 抑制细胞增殖, 茎长度明
显缩短[14,23]。对 ZmBELL在 8个组织器官的表达分析

图 4 8 个玉米 BELL 基因的表达模式
Fig. 4 Expression patterns of 8 BELL genes of maize
Y轴表示基因相对内参基因 Actin1的表达水平。误差线表示 3个重复间的标准偏差。
The Y-axis represents the relative expression levels of genes relative to Actin1. Error bars indicate standard deviation for three replicates.
第 11期 曹 征等: 玉米 BEL1-like基因家族的鉴定、表达和调控分析 1637



图 5 玉米 BELL 基因家族的共表达分析
Fig. 5 Co-expression analysis of maize BELL genes
黄色圆圈表示 BELL基因家族, 红色圆圈表示与 BELL家族相关基因, 蓝色直线表示正相关, 红色直线表示负相关。
Yellow circle represents the BELL family genes, and red circle represents BELL family related genes. Blue line shows positive correlation,
and red line shows negative correlation.

发现, 15个 ZmBELL表现出多种表达模式, 特别是4个
基因(ZmBELL5、ZmBELL8、ZmBELL10和 ZmBELL13)
具有显著不同的表达模式, 各自在特定的组织器官
中高水平表达, 也说明这些基因在维持特定组织器
官的建成和发育中具有重要作用。
模式植物拟南芥中的 BELL 家族基因的功能解
析也为玉米 BELL 家族基因的功能与作用机制的研
究提供了指导。拟南芥 BLH2/SAW1 和 BLH4/SAW2
在叶片、心皮、花药、茎等多个组织中表达 [9], 在
saw1saw2双突变体叶片中, BP (BREVIPEDICELLUS)
异位表达, 叶片呈锯齿状且卷曲[24]。BLH2/SAW1 和
BLH4/SAW2 的同源基因 ZmBELL7 在叶片中表达量
最高, 可能与玉米叶片的生长发育相关。拟南芥 BLH9/
PNY 影响茎顶端分生组织、茎、胚座的发育, 突变
体 pny花序节间异常, 角果小、畸形且成簇生长[13,25];
而 BLH8/PNF 和 BLH9/PNY 同源, 二者共同调控拟
1638 作 物 学 报 第 41卷


南芥花序原基的生长, 维持茎顶端分生组织的发育
平衡 [26]。ZmBELL8、ZmBELL13 和 ZmBELL14 与
BLH8/PNF和 BLH9/PNY聚在同一亚组, 且与 BLH8/
PNF 和 BLH9/PNY 具有相似的表达模式, 在雌、雄
穗中表达量高, 推测这 3个玉米 BELL基因可能参与
玉米花序发育的调控。相似地, 拟南芥的 ATH1是光
调控转录因子, 也在花序和茎基部高水平表达, 调
控花序发育和茎基部边缘生长[23,27]。ZmBELL11 和
ZmBELL15 与 ATH1 高度同源且在玉米花序和茎等
组织中表达水平较高, 推测 ZmBELL11 和 ZmBELL15
可能具有 ATH1相似的生物学功能。
已有研究表明, BELL家族蛋白可特异性结合靶
基因启动子区 TGACAGG/CT DNA motif 进而调控
基因表达[20]。据此, 受 BELL家族基因所调控的靶基
因一般应具有两个特征, 即与 BELL 家族基因的表
达高度相关和在基因启动子区具有 TGACAGG/CT
motif。基于以上两个特征, 我们共筛选到 86个假定
的受 ZmBELL 所调控的下游靶基因。其中 , 3个
ZmBELL 与假定的下游靶基因表现为一对一的对应
关系, 暗示这 3个 ZmBELL的调控途径的特异性; 而
9 个 ZmBELL 分别调控多个靶基因 , 说明这些
ZmBELL 基因可能通过多条途径调控植株的正常发
育或涉及多个组织器官的建成和发育的调控。另外,
少数基因受多个 ZmBELL的调控, 成为重要的调控节
点, 也说明这些基因的重要性。例如 5个转录调控因
子(AC202396.4_fg010、GRMZM2G106560、GRMZM2
G875502、GRMZM2G129146和 GRMZM2 G137352)
和 4 个胁迫响应相关的基因(GRMZM2G 032962、
GRMZM2G006468、GRMZM2G090177和GRMZM2G
329144)的表达可能分别受多个 ZmBELL的调控(图 5),
这些基因在玉米生长发育和胁迫响应中可能具有重
要的作用。尽管这些假定的调控关系还需要进一步的
实验验证, 但这些基于生物学信息学的结果为进一
步的研究提供了可供参考的线索。另外, 还有 3个
ZmBELL 基因未被鉴定到其调控的下游基因, 可能与
本试验中所提取的基因启动子序列较短(1 kb), 所使
用的表达数据仅局限于 8个组织器官等有关。
4 结论
采用隐马可夫(HMM)模型在玉米基因组中的鉴
定到 15个 BELL家族基因(ZmBELL)。ZmBELL不均
匀分布于玉米 7 条染色体上, 与拟南芥的直系同源
基因的相似性比较分为两大类。ZmBELL 在玉米 8
种组织中表现出多种表达模式, 具有明显的组织表
达特异性。另外, 基于共表达分析和特异性 motif筛
选所鉴定到的 86 个基因可能受 12 个 ZmBELL 基因
所调控。
References
[1] Gehring W J. Homeoboxes in the study of development. Science,
1987, 236: 1245–1252
[2] Giacomo E D, Iannelli M A, Frugis G. TALE and shape: how to
make a leaf different. Plants, 2013, 2: 317–342
[3] Billeter M, Qian Y Q, Otting G, Müller M, Gehring W, Wüthrich
K. Determination of the nuclear magnetic resonance solution
structure of an Antennapedia homeodomain-DNA complex. J
Mol Biol, 1993, 234: 1084–1097
[4] Bürglin T R. Analysis of TALE superclass homeobox genes
(MEIS, PBC, KNOX, Iroquois, TGIF) reveals a novel domain
conserved between plants and animals. Nucl Acids Res, 1997, 25:
4173–4180
[5] Bertolino E, Reimund B, Wildt-Perinic D, Clerc R G. A novel
homeobox protein which recognizes a TGT core and functionally
interferes with a retinoid-responsive motif. J Biol Chem, 1995,
270: 31178–31188
[6] Chen H, Rosin F M, Prat S, Hannapel D J. Interacting transcrip-
tion factors from the three-amino acid loop extension superclass
regulate tuber formation. Plant Physiol, 2003, 132: 1391–1404
[7] Bellaoui M, Pidkovich M S, Samach A, Kushalappa K, Kohalmi
S E, Modrusan Z, Crosby W L, Haughn G W. The Arabidopsis
BELL1 and KNOX TALE homeodomain proteins interact
through a domain conserved between plants and animals. Plant
Cell, 2001, 13: 2455–2470
[8] Hamant O, Pautot V. Plant development: a TALE story. C R Biol,
2010, 333: 371–381
[9] Arnayd N, Pautot V. Ring the BELL and tie the KNOX: roles for
TALEs in gynoecium development. Front Plant Sci, 2014, 5: 93
[10] Mukherjee K, Brocchieri L, Bürglin T R. A comprehensive clas-
sification and evolutionary analysis of plant homeobox genes.
Mol Biol Evol, 2009, 26: 2775–2794
[11] Becker A, Bey M, Bürglin T R, Saedler H, Theissen G. Ancestry
and diversity of BEL1-like homeobox genes revealed by gymno-
sperm (Gnetum gnemon) homologs. Dev Genes Evol, 2002, 212:
452–457
[12] Bhatt A M, Etchells J P, Canales C, Lagodienko A, Dickinson H.
VAAMANA-a BEL1-like homeodomain protein, interacts with
KNOX proteins BP and STM and regulates inflorescence stem
growth in Arabidopsis. Gene, 2004, 328: 103–111
[13] Cole M, Nolte C, Werr W. Nuclear import of the transcription
factor SHOOT MERISTEMLESS depends on heterodimerization
with BLH proteins expressed in discrete sub-domains of the shoot
apical meristem of Arabidopsis thaliana. Nucl Acids Res, 2006,
34: 1281–1292
[14] Hay A, Tsiantis M. KNOX genes: versatile regulators of plant de-
velopment and diversity. Development, 2010, 137: 3153–3165
[15] Hackbusch J, Richter K, Müller J, Salamini F, Uhrig J F. A central
role of Arabidopsis thaliana ovate family proteins in networking
第 11期 曹 征等: 玉米 BEL1-like基因家族的鉴定、表达和调控分析 1639


and subcellular localization of 3-aa loop extension homeodomain
proteins. Proc Natl Acad Sci USA, 2005, 102: 4908–4912
[16] Kim D, Cho Y H, Ryu H, Kim Y, Kim T H, Hwang I. BLH1 and
KNAT3 modulate ABA responses during germination and early
seedling development in Arabidopsis. Plant J, 2013, 75: 755–766
[17] Rutjens B, Bao D, van Eck-Stouten E, Brand M, Smeekens S,
Proveniers M. Shoot apical meristem function in Arabidopsis re-
quires the combined activities of three BEL1-like homeodomain
proteins. Plant J, 2009, 58: 641–654
[18] 郭安源, 朱其慧, 陈新, 罗静初. GSDS: 基因结构显示系统.
遗传, 2007, 29: 1023–1026
Guo A Y, Zhu Q H, Chen X, Luo J C. GSDS: a gene structure
display server. Hereditas, 2007, 29: 1023–1026 (in Chinese with
English abstract)
[19] Letunic I, Doerks T, Bork P. SMART: recent updates, new deve-
lopments and status in 2015. Nucl Acids Res, 2015, 43:
D257–260
[20] Smith H M S, Boschke I, Hake S. Selective interaction of plant
homeodomain proteins mediates high DNA-binding affinity. Proc
Natl Acad Sci USA, 2002, 99: 9579–9584
[21] Smith L G, Greene B, Veit B, Hake S. A dominant mutation in the
maize homeobox gene, Knotted-1, causes its ectopic expression
in leaf cells with altered fates. Development, 1992, 116: 21–30
[22] Bolduc N, Yilmaz A, Mejia-Guerra M K, Morohashi K,
O’Connor D, Grotewold E, Hake S. Unraveling the KNOTTED1
regulatory network in maize meristems. Genes Dev, 2012, 26:
1685–1690
[23] Gómez-Mena C, Sablowski R. ARABIDOPSIS THALIANA
HOMEOBOX GENE1 establishes the basal boundaries of shoot or-
gans and controls stem growth. Plant Cell, 2008, 20: 2059–2072
[24] Kumar R, Kushalappa K, Godt D, Pidkowich M S, Pastorelli S,
Hepworth S R, Haughn G W. The Arabidopsis BEL1-LIKE
HOMEODOMAIN proteins SAW1 and SAW2 act redundantly to
regulate KNOX expression spatially in leaf margins. Plant Cell,
2007, 19: 2719–2735
[25] Smith H M, Hake S. The interaction of two homeobox genes,
BREVIPEDICELLUS and PENNYWISE, regulates internode pat-
terning in the Arabidopsis inflorescence. Plant Cell, 2003, 15:
1717–1727
[26] Ung N, Lal S, Smith H M. The role of PENNYWISE and
POUND-FOOLISH in the maintenance of the shoot apical meris-
tem in Arabidopsis. Plant Physiol, 2011, 156: 605–614
[27] Proveniers M, Rutjens B, Brand M, Smeekens S. The Arabi-
dopsis TALE homeobox gene ATH1 controls floral compe-
tency through positive regulation of FLC. Plant J, 2007, 52:
899–913



欢迎订阅 2016 年《农产品质量与安全》
《农产品质量与安全》为农业部主管、中国农业科学院主办、农业部农产品质量安全监管局支持、农业
部农产品质量安全中心和中国绿色食品发展中心协办, 中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所承
办的中国科技核心期刊。2014 年被中国科技信息研究所遴选为中国科技核心期刊。主要栏目有本刊特稿、
本刊专稿、政策法规、质量安全监管、无公害农产品、绿色食品、有机农产品、农产品地理标志、农业标
准化、检验检测、学科建设与发展、研究与探讨、安全生产技术、地方经验交流、海外博览、农业标准公
告、信息与动态等。读者对象为与农产品质量安全、农业质量标准和检验检测有关的各级行政管理、科研
教学、检验监测、技术推广、生产企业等部门的相关人员。
《农产品质量与安全》为双月刊, 逢双月 10日出版。大 16开本, 彩色四封, 每期 80页。全国各地邮局(所)
均可订阅, 也可直接到本刊编辑部办理订阅手续。邮发代号: 82-223。每册定价: 10.00元, 全年共 60.00元。
欢迎各界朋友订阅、赐稿和刊登广告。
地址: 北京市中关村南大街 12号中国农科院质标所《农产品质量与安全》编辑部, 邮政编码: 100081。
电话/传真: (010)82106521, 82106522 E-mail: aqs@caas.cn