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【研究背景】玉米是我国重要的粮食作物。玉米等作物在生长过程中,会频繁遭受非生物胁迫的影响,从而限制其生长发育以及产量的形成。非生物胁迫引起玉米细胞内活性氧(ROS)的积累,过量的ROS会导致玉米细胞膜膜脂发生过氧化,细胞膜受到损害。过氧化氢酶(CAT)是植物遭受非生物胁迫时细胞内所产生的活性氧清除系统中的主要的抗氧化酶,可清除植物体内产生的H2O2,从而保护细胞不受伤害。植物中编码过氧化氢酶的CATs基因家族是一类成员较少的基因家族,其在拟南芥、黄瓜、棉花等物种中都已有研究,但关于玉米CATs家族至今未见详细报道。本研究主要拟对玉米全基因组的ZmCATs基因家族进行生物信息学分析,为深入研究ZmCATs基因功能提供依据。【材料和方法】以拟南芥(Arabidopsis thaliana)AtCATs蛋白序列作为比对序列,在Phytozome(https://phytozome.jgi.doe.gov)和NCBI(https://www.ncbi. nlm.nih.gov)数据库进行同源比对,然后利用DNAMAN进行序列比对去除冗余,并用SMART数据库(http://smart.embl-heidelberg.de/)对非冗余蛋白序列进行保守结构域检测;利用Expasy在线网站(https://web.expasy.org/protparam/)分析ZmCATs基因家族理化性质。利用在线软件(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa)对蛋白质二级结构进行预测。在玉米数据库中获得ZmCATs基因家族不同组织部位的表达量,并利用HemI 1.0.3.7进行表达谱聚类热图绘制。【结果与分析】采用三种方法结合并经过结构域重复筛选后,共获得3个非冗余的玉米CAT家族成员,其在亲缘关系上与单子叶植物高粱最为接近。ZmCATs氨基酸数量最小的是492aa,最大的是704aa,分子量介于56～80kDa之间,等电点介于6.45～9.33之间。ZmCATs基因所编码的蛋白质均为疏水性蛋白。亚细胞定位预测显示ZmCAT1和ZmCAT3分布在叶绿体和线粒体中,然而ZmCAT2在细胞核、线粒体和细胞质都有所分布。对ZmCATs基因结构分析显示,ZmCATs中的外显子数量分别为6、4和8个。ZmCATs家族均含有过氧化氢酶核心结构域(过氧化氢酶,PF00199)和过氧化氢酶相关的免疫应答结构域(Catalase-rel,PF06628)。ZmCATs家族蛋白二级结构预测显示,α-螺旋氨基酸数量比例在26.42%～27.87%之间;其延长链氨基酸的数量比例在14.43%～15.34%之间;β-折叠氨基酸数量比例普遍在5.40%～5.65%;ZmCATs的无规则卷曲氨基酸数量比例普遍在51.41%～53.66%之间。对ZmCATs进行染色体定位分析可知,ZmCATs基因分布在玉米1、4、5号染色体上。ZmCAT1基因和ZmCAT2基因位于染色体两端,远离中心粒;ZmCAT3基因靠近染色体中央,距离染色体中心粒较近。通过对ZmCATs在不同组织器官和生长发育阶段表达量的聚类分析,发现ZmCAT1,ZmCAT2,ZmCAT3在营养生长阶段有较高表达量,ZmCAT2、ZmCAT3在生殖生长阶段有较高的表达量。其中ZmCAT3在不同生长发育阶段表达量最高。【结论】本研究从玉米基因组中共鉴定了3个编码过氧化氢酶的ZmCATs基因,并进行了一系列生物信息学分析。玉米CAT基因与高粱的具有较高的同源性,并且在玉米生长的各个阶段以较高的水平表达。本研究结果为探究玉米及其它作物CAT的功能提供一定的理论依据。