随着全球气候的不断变暖和土壤质量下降,植物在生长发育过程中受到非生物胁迫的影响不断加剧。这些非生物胁迫最终通过水分、离子和活性氧等代谢障碍发挥作用。除了以上几种典型的胁迫相关的代谢产物之外,还有一种以甲基乙二醛(Methylglyoxal,MG)为代表的醛酮类有毒代谢产物,它能通过对蛋白质、脂质和DNA的修饰影响其结构和功能,最终导致细胞损伤甚至死亡。为了降低MG对正常生长发育的不利影响,植物自身进化出降解MG的机制。其中,乙二醛酶系统是主要的MG清除途径,可以将甲基乙二醛转化为乳酸,并由此参与植物的生长发育调控和胁迫防御。本研究利用生物信息学的方法及手段,从玉米基因组数据库中筛选三类乙二醛酶基因,并对各基因家族成员的结构、进化关系、基因表达模式进行系统分析。同时,利用同源基因克隆方法从玉米种质POB21中克隆得到一个ZmGLYI-8基因,对该基因的序列、表达特性及其生物学功能进行了系统分析。主要研究结果如下:(1)通过序列比对和结构分析,从B73基因组中筛选出13个乙二醛酶Ⅰ(GLYI)基因、3个乙二醛酶Ⅱ(GLYII)基因和7个乙二醛酶Ⅲ(GLYIII)基因。以拟南芥为参考基因组,对玉米乙二醛酶基因家族成员的序列同源性、基因结构、蛋白质结构域及染色体定位分析表明,三类乙二醛酶基因分属不同家族,没有进化的一致性。同一家族内部的乙二醛酶家族成员之间具有进化保守性,但在进化过程中倍增不同步。拟南芥和玉米基因组中不同乙二醛酶家族的基因倍增也有一定的物种偏好性。(2)利用genevestigator数据库和定量PCR技术对玉米中乙二醛酶基因的表达特性进行分析和验证。结果表明,三个基因家族的成员在玉米不同发育时期的表达有一定的偏好性,暗示该各家族基因成员在植物体内的生物学功能各有分工。对GLYI和GLYII基因表达的组织特异性的qRT-PCR检测表明,所有基因在根中的表达水平最低,大多数基因(9个GLYI,1个GLYII)在叶中的表达水平最高。在高温、干旱、高盐等不同非生物胁迫、代谢物MG和H2O2及激素ABA、ET和MeJA处理后,基因表达调控的方向和表达水平表现出丰富的多样性,说明大多数乙二醛酶基因广泛参与多种非生物胁迫响应和信号转导途径。(3)利用同源克隆技术从POB21基因组中克隆得到的一个玉米ZmGLYI-8基因,对该基因序列进行分析,结果表明该基因CDS全长为1044bp,基因编码蛋白全长为347个氨基酸,等电点为6.49,预测分子量为38223.83Da。序列比对及进化树分析结果表明,该基因与B73基因组中的GRMZM2G076006基因高度同源。定量PCR分析表明ZmGLYI-8基因在玉米幼苗的叶中表达水平显著高于根和茎,在干旱、高温、MG、MeJA、ABA处理下可被诱导表达。(4)利用异源过表达ZmGLYI-8基因的方法,在转基因大肠杆菌和拟南芥中分析基因的生物学功能。结果表明该基因可提高大肠杆菌对高浓度MG、甘露醇和NaCl的抗性,也能增强拟南芥在幼苗期及成苗期对干旱及高盐的抗性。