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磷素作为不可或缺的三大营养素之一,在土壤中极易被固定,导致能被植物吸收利用的有效磷极为匮乏。玉米是集粮、经、饲及生物能源为一体的多元作物,在国内外的需求量与日俱增,其产量和品质也面临着缺磷胁迫的严峻挑战,如何提高玉米对磷吸收利用的效率已成为一个研究热点。植物根系形态是制约水分和营养吸收的关键因子,生长素响应因子（auxin response factor,ARF）在生长素应答途径和根系生长发育中起着重要作用。因此,对ZmARF生物学功能及其表达调控机制的深入研究,有助于改善玉米根系的形态建成,提高玉米对营养元素的吸收利用,并最终服务于玉米抗逆分子育种。本研究基于玉米全基因组范围鉴定ZmARF基因家族成员,利用关联分析挖掘玉米缺磷响应基因,并结合拟南芥、水稻和玉米的遗传转化实验初步探讨候选基因的生物学功能,同时进行酵母双杂交筛库、split-LUC和Co-IP等实验分析目的基因可能的调控机制。主要研究结果如下:1.玉米ZmARF家族响应缺磷胁迫基因的鉴定。在玉米全基因范围鉴定到38个ZmARF基因,各成员均具有典型的生长素响应结构域,且不均匀分布于10条染色体中。基于氨基酸序列的聚类分析把38个蛋白划分为四个亚族,其中第IV亚族的基因结构最简单。与水稻和拟南芥ARF蛋白一起构建的进化树分析发现,ARF在单子叶植物中的进化关系更近。38个ZmARF基因中有6个未能获得正确的扩增产物。转录激活检测发现,32个ZmARF中只有7个转录因子ZmARF1、ZmARF3、ZmARF4、ZmARF20、ZmARF27、ZmARF30和ZmARF34具有转录激活活性。根据38个ZmARF基因在染色体中的物理位置,共抽提到1166个SNP。结合玉米苗期缺磷胁迫相关性状开展关联分析,结果表明,利用混合线性模型（MLM）共检测到573个显著位点（P<0.01）,其中有6个基因未检测到显著关联位点。有26个ZmARF成员在三种不同统计模型中均与玉米苗期根系相关性状显著关联。其中ZmARF23在三种不同统计模型中均检测到最多的显著性位点,表明该基因对玉米苗期的缺磷胁迫反应具有重要功能。2.缺磷胁迫响应基因ZmARF23互作蛋白的筛选与功能初探。关联分析发现ZmARF23中存在多个位点在正常供磷和缺磷胁迫条件下均与根尖数和根表面积显著关联,暗示该基因是响应缺磷胁迫的重要候选基因。烟草叶片中的瞬时表达表明,ZmARF23表达蛋白定位于细胞核。实时荧光定量分析发现,ZmARF23在玉米耐低磷自交系178根系中被缺磷胁迫强烈诱导表达。根据ZmARF23序列设计3个不同的g RNA,体外DNA切割效率检测发现3个g RNA介导的DNA剪切效率存在显著差异。将切割效率最高的g RNA构建CRISPR/Cas9载体,通过瞬时表达玉米原生质体,验证了该g RNA具有基因编辑功能。在玉米遗传转化后的T1代也检测到多种不同的基因组编辑类型。ZmARF23在水稻中的过量表达分析发现,ZmARF23可能是一个抑制初生根生长的负调控因子,同时降低水稻产量。与野生型日本晴相比,缺磷胁迫条件下水稻过表达株系的耐受性显著增强。结合酵母双杂交筛库实验以及split-LUC和Co-IP的验证,发现ZmARF23与ZmLBD1存在相互作用,可能与促进不定根的发育有关。3.互作蛋白ZmLBD1的优异等位变异发掘及功能验证。为了进一步明确与ZmARF23互作的蛋白ZmLBD1在根系发育中的具体功能和可能的作用机制,对ZmLBD1开展相关研究。首先,在301份玉米自交系中检测ZmLBD1的序列多态性,结果表明完整基因结构的DNA序列中包含32个SNP和40个In Del,外显子中的多态性最低(核苷酸多态性π=2.16×10-3)。中性检验发现ZmLBD1在驯化过程中受到强烈的纯化选择作用。利用一般线性模型（GLM）、GLM+Q和MLM,在ZmLBD1中分别鉴定到87、32和24个检测点与玉米苗期缺磷相关性状显著关联（P≤0.01）。在MLM模型中,检测到6个位点在缺磷胁迫条件下同时与根尖数（RT）和根冠比（RSR）显著关联,最高可解释根冠比4.52%的表型变异。烟草叶片中的瞬时表达和拟南芥稳定表达发现ZmLBD1定位于细胞核。实时荧光定量PCR检测表明ZmLBD1在玉米耐低磷自交系178根系中受缺磷胁迫显著诱导表达,上调了约10倍。拟南芥中过量表达和突变体功能互补分析发现ZmLBD1具有促进侧根发育和初生根生长的功能,同时抵御缺磷的逆境胁迫。结合酵母双杂交筛库实验以及split-LUC和Co-IP的验证,表明ZmLBD1与ZmEXP7存在相互作用,可能与促进根系生长发育有关。4.ZmARF31的遗传变异及与玉米缺磷胁迫相关性状的关联分析。ZmARF31作为基因家族中的重要成员,其在拟南芥和大豆中的同源基因受mi RNA调控作用参与根系的形态建成。基于关联群体的RNA-seq数据未能获得该基因的SNP,因此本研究以331份玉米重要核心种质组成的关联群体为研究材料,分析了ZmARF31在DNA水平的遗传多态性和响应缺磷胁迫性状的优异等位变异。ZmARF31在该群体中检测到30个SNPs和14 In Dels。连锁不平衡（Linkage disequilibrium,LD）分析发现,基因的5’-UTR区存在一个较小的LD block和显著的纯化选择作用,而3’-UTR区包含有最丰富的遗传多态性和一个较大的LD block。利用一般线性模型（GLM）、GLM+Q和MLM,在ZmARF31中分别鉴定到30、14和9个检测点与玉米苗期缺磷相关性状显著关联（P≤0.01）。其中四个SNP位点（S255,S352,S410和S462）在三种不同统计模型中均与总干重显著关联。在玉米重组自交系（RIL）群体中的基因分型表明,非同义突变SNP S410（G）和In Del S1442（38bp插入）为优异等位基因,分别对总干重和根尖数有正向的遗传效应。表达模式分析发现,ZmARF31在耐低磷自交系178的根系中被缺磷胁迫显著诱导上调表达,其蛋白在细胞核和质膜中表达,进一步证实其响应缺磷胁迫并影响根系的生长。单倍型分析表明,携带更多优异等位变异的单倍型比单基因座对表型变异的影响更大。因此,ZmARF31基因中的单倍型更有利于功能性标记的开发及在分子标记辅助选择中应用。