類黃酮生物合成途徑核心位點(diǎn)的分子進(jìn)化分析.pdf

1、花色是被子植物非常重要的性狀，它常常被認(rèn)為與吸引昆蟲傳粉有關(guān)。在自然界中，大約88％的被子植物的花色色素是花青素:天竺葵素(pelargonin)、矢車菊素(cyanidin)、飛燕草素(delphinidin)類。除花青素苷外，黃酮醇苷、原花青素-縮合單寧是另兩大類類黃酮物質(zhì)。各種類黃酮物質(zhì)參與決定植物的器官色彩、異花授粉、抗紫外線、抗蟲防病、抗冷等多種生理功能，而且各種類黃酮物質(zhì)在人體內(nèi)普遍具有抗氧化、清除自由基、防癌、抗炎等多種保

2、健功效。因此，對類黃酮生物合成途徑系統(tǒng)發(fā)育的研究，有助于我們更加全面和本質(zhì)性地理解該途徑和相關(guān)性狀的分子進(jìn)化機(jī)理和模式，更好地推動該途徑進(jìn)化、基因功能研究、蛋白進(jìn)化研究等基礎(chǔ)理論研究，也有助于為該途徑分子設(shè)計(jì)、代謝工程等應(yīng)用研究提供指導(dǎo)或參考。
　　 本文利用JGI（DOEJoinGemoneInstitute）數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)進(jìn)行全基因組測序的23種植物的類黃酮生物合成途徑9大關(guān)鍵酶為主要研究范圍，下載它們的已注釋CDS序列和已注

3、釋Protein序列用于構(gòu)建Blast數(shù)據(jù)庫。通過雙向Blast對CDS序列提取;通過InterProScan進(jìn)行結(jié)構(gòu)域檢測;利用R語言進(jìn)行同源基因拷貝數(shù)統(tǒng)計(jì)和分類分析;利用ClustalO對多個數(shù)據(jù)集的序列差異分析;利用ProtTest、Phylip和PhyML進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹重建;使用PAML進(jìn)行分支和位點(diǎn)的選擇壓力分析;使用CodonW密碼子偏愛性分析;使用EMBOSS、SignalP、WolfPSort進(jìn)行蛋白質(zhì)理化性質(zhì)分析;綜合

4、所有信息和結(jié)果進(jìn)行整體分析，得出以下結(jié)論:
　　 1、上游類黃酮基因的旁系同源基因之間已顯著歧化和分型，并具有植物類群特征。通過對比直系同源基因的比對結(jié)果和同源基因的比對結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)直系同源基因比對結(jié)果表現(xiàn)出序列穩(wěn)定，但旁系同源基因的比對結(jié)果表現(xiàn)出序列混亂，并且這種混亂在上游基因體現(xiàn)得較為明顯，而這些同源基因又可以通過嚴(yán)格的雙向Blast提取出來。因此，我們認(rèn)為類黃酮生物合成途徑上游基因在不同的物種分類之間表現(xiàn)出歧化現(xiàn)象，說明

5、這些基因的祖先在大量加倍之后，伴隨物種分化進(jìn)入不同物種（祖先），再在這些新的物種中各自進(jìn)化。即上游類黃酮基因的旁系同源基因之間已顯著歧化和分型，并具有植物類群特征。
　　 2、CHS拷貝數(shù)高的物種，F(xiàn)3'H的拷貝數(shù)可能也高。通過基因拷貝數(shù)的統(tǒng)計(jì)，我們發(fā)現(xiàn):在薔薇科、豆科中，CHS拷貝數(shù)高的同時，F(xiàn)3'H也高;而禾本科中不僅在CHS拷貝數(shù)高的同時F3'H也高，而且ANR也高。值得一提的是，這種現(xiàn)象不僅只是科、屬這些分類級別的統(tǒng)計(jì)結(jié)

6、果，在這些分類內(nèi)部的每個物種也可以觀察到這種現(xiàn)象。
　　 3、不同科物種的類黃酮生物合成途徑的密碼子偏愛性有很大差異。我們在密碼子偏愛性分析中發(fā)現(xiàn)單雙子葉植物的密碼子偏愛性有巨大差異。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，雙子葉植物的密碼子第三位偏向于AT，而單子葉植物偏向于GC，并且單子葉植物密碼子的GC與AT的比值大于10。同時，我們還發(fā)現(xiàn)，雙子葉植物密碼子第三位偏向于AT其實(shí)很大程度上是因?yàn)槎箍浦参?，像十字花科、薔薇科之類的物種，它們的密碼子第

7、三位其實(shí)也偏向于GC，但這種偏愛性并不明顯——GC與AT的比值看起來更加接近于沒有偏愛性。
　　 4、不同科物種的類黃酮生物合成途徑基因的GC含量有很大差異1）禾本科植物所有位點(diǎn)的GC含量較高，這與其密碼子第三位的GC含量一致;2）豆科植物每個位點(diǎn)的GC含量相差不大，在整個代謝途徑上體現(xiàn)出GC含量的穩(wěn)定性;3）云薹屬植物的GC含量在代謝途徑上游的位點(diǎn)較高，而在下游位點(diǎn)相對較低;4）在雙子葉植物中，就整個代謝途徑而言，薔薇科植物位

8、點(diǎn)的GC含量略高，但均比單子葉植物的禾本科低。
　　 5、單一位點(diǎn)的分子進(jìn)化無法代表其所在的代謝途徑的進(jìn)化，單一代謝途徑的進(jìn)化無法代表整個物種的進(jìn)化。通過人工微染色體與物種之間、位點(diǎn)與物種之間的系統(tǒng)發(fā)育比較后，我們認(rèn)為:單一的分子進(jìn)化無法代表其所在的代謝途徑的進(jìn)化，甚至?xí)霈F(xiàn)相悖的現(xiàn)象，哪怕是此代謝途徑中最關(guān)鍵、最核心的位點(diǎn);同樣的，單一代謝途徑的進(jìn)化無法代表整個物種的進(jìn)化，也可能出現(xiàn)相悖的現(xiàn)象，哪怕是此物種中最經(jīng)典、最具代表性