玉米是最重要的粮食作物之一,不但为人类和动物提供粮食.而且还为工业生产提供重要的原材料。提高种子大小对于提高作物产量至关重要,种子大小性状由种子细胞大小和细胞数目共同决定,因此,促进种子细胞体积增大是提高作物产量的重要途径之一。研究表明,expansin蛋白能够激活细胞壁的疏松,在调控细胞大小上起着重要的作用。胚乳作为种子的一个重要组成部分,所以充分理解其发育对于提高玉米产量很重要,而挖掘出影响玉米胚乳细胞生长大小的相关功能基因对提高玉米产量具有重要意义。本研究利用生物信息学手段,对玉米expansin基因家族进行了鉴定,分析玉米expansin基因家族的基因结构特征、进化关系,并利用多种方式分析这些基因的表达模式,筛选出胚乳特异性表达expansin基因,同时利用过量表达技术分析了玉米ZmEXPB13基因的功能,此外,还对expansin基因的作用机制进行了初步探讨,获得以下主要结果：1.通过Blast同源搜索,从玉米B73基因组数据库中共鉴定了88个expansin蛋白序列,并根据进化关系将它们分为3个亚家族(EXPA、EXPB和EXPLA)。通过基因结构和基序特征分析表明玉米expansin基因序列高度保守。而染色体定位显示88个基因随机分布在10条染色体(第8号染色体除外)上。对玉米expansin基因复制事件进行分析,发现5对片段复制和5对串联复制,表明这两种复制在玉米expansin基因扩张历程中共同起作用。2.分别利用三种基因表达模式分析方法(EST、半定量PCR和基因芯片)分析玉米88个ZmEXPs基因的表达模式,并鉴定玉米胚乳特异性表达ZmEXPs基因。选择胚乳特异表达基因ZmEXPB13作为目标基因,并从玉米B73自交系中克隆了ZmEXPB13基因,通过瞬时转化分析发现该基因编码的蛋白定位于细胞壁。3.分别构建ZmEXPB13基因过量表达载体35S::ZmEXPB13和GLU::ZmEXPB13,并通过水稻遗传转化、PCR检测以及Gus染色分别获得阳性转基因植株16株和18株。经Southern检测T0代转基因植株,共获得6个单拷贝的转基因株系(13-3、13-10、13-13；13G-3、13G-5、13G-10),这些株系被进一步用于ZmEXPB13的功能研究。4.对6个转基因株系(过量表达ZmEXPB13基因)籽粒特征分析显示：转基因植株的籽粒其长度和百粒重两性状的变化均达到显著水平。通过石蜡切片和透射电镜在亚细胞水平上分析发现,不同的转基因株系籽粒的胚乳细胞大小显著增大,胚乳细胞壁厚度显著增加,而且出现明显的胞间层。同样在35S::ZmEXPB13转基因株系根系中观察到中柱鞘细胞和内皮层细胞也具有明显增大效应,这表明ZmEXPB13基因具有促进细胞扩张和增大功能。在胚乳中过量表达ZmEXPB13基因可促进胚乳细胞增大,从而导致籽粒增大和重量增加,对提高作物产量可能具有重要作用。5.通过对玉米expansin基因上游启动子顺式作用元件分析发现,所有的玉米expansin基因上游2kb启动子区域都包含ABA或者GA作用元件,表明在发育过程中,ABA或GA一定程度下调控expansin基因的表达。利用定量PCR技术分析玉米胚乳中表达的ZmEXPs基因表达模式,结果显示,用ABA或GA3处理玉米胚乳(授粉10天)后,这些基因的表达水平显著上调,为研究expansin蛋白的作用机制提供了重要的参考。综上所述,本研究在玉米全基因组水平上共鉴定出88个ZmEXPs基因,并对expansin基因家族的基因结构特征、进化关系以及多种表达模式进行了分析。筛选并克隆了玉米胚乳特异性表达的基因-zmEXPB13,对其生物学功能进行分析发现ZmEXPB13基因对促进细胞增大、提高种子大小和重量具有显著效应,此外,GA或ABA对玉米胚乳中表达的ZmEXPs基因有明显调控作用。这些研究结果为发掘可提高玉米产量的新基因,深入揭示胚乳特异性表达基因ZmEXPs作用机制,以及利用基因工程的方法提高作物的产量提供了重要的理论和实验依据。