植物Tm-1-like基因的起源和進化分析.pdf

1、陸生植物的起源是地球生命進化史上的最為重要的事件之一，對現(xiàn)代陸地生態(tài)系統(tǒng)的形成具有至關(guān)重要的作用。陸生植物起源于水生的綠藻，在由水生到陸生的進化過程中，陸生植物祖先面臨著干旱、多變的溫度、增強的紫外線輻射等諸多不利因素，此外陸生植物還要面對與水生環(huán)境截然不同的微生物環(huán)境，因此，植物在登陸陸地的過程中需要進化出新的基因和新表型特征來適應(yīng)陸地的生存環(huán)境。
　　番茄（Solanum lycopersicum L.）的Tm-1基因是番茄花

2、葉病毒(Tomato mosaic virus，ToMV)的重要抗性基因，其抗性等位基因來源于野生番茄（S.habrochaite）。Tm-1基因編碼的蛋白質(zhì)序列與已知抗性基因(R gene)具有截然不同的序列特征，該基因編碼的蛋白質(zhì)能特異地結(jié)合ToMV的復(fù)制蛋白并對RNA復(fù)制起到抑制作用，從而表現(xiàn)出對番茄花葉病毒的抗性。對該基因的序列相似性分析發(fā)現(xiàn)其在已測序陸生植物基因組中普遍存在同源基因，并表現(xiàn)出高度的序列保守性。該基因在植物中的同

3、源基因編碼的蛋白質(zhì)具有相似的結(jié)構(gòu)域特征，其N-末端均具有UPF0261結(jié)構(gòu)域，而C-末端均具有TBST結(jié)構(gòu)域。盡管該基因在番茄中的抗病作用已經(jīng)明確，但其起源和進化模式還不清楚，尤其是其在其他植物中的功能尚有待進一步挖掘。本文基于生物信息學(xué)方法，采用序列相似性和系統(tǒng)進化樹相結(jié)合的方法揭示植物Tm-1-like（Tm-1L）基因的起源機制;進一步在玉米中通過RT-PCR方法分析該基因的組織器官和非生物逆境表達模式。研究結(jié)果將為揭示植物Tm-

4、1L基因的起源和進化模式，并為在其他植物物種中對該基因開展功能鑒定提供借鑒。主要研究內(nèi)容和結(jié)果包括:
　　(1)序列相似性分析發(fā)現(xiàn)已測序的鏈形植物（包括陸生植物和輪藻）中均具有Tm-1L基因，并且序列具有高度保守的特征，而在鏈形植物的祖先物種綠藻和紅藻中卻沒有同源基因。
　　(2)植物Tm-1L基因編碼的蛋白質(zhì)序列中具有2個高度保守的結(jié)構(gòu)域:N-末端為UPF0261結(jié)構(gòu)域，C-末端是TIM-barrel-like signa

5、l transduction(TBST)結(jié)構(gòu)域。進一步分析發(fā)現(xiàn)同時編碼這2個結(jié)構(gòu)域的基因僅在鏈形植物中出現(xiàn)，而其他物種中的同源基因僅僅編碼其中1個結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)序列。
　　(3)分別以包含UPF0261和TBST結(jié)構(gòu)域的代表性蛋白質(zhì)序列構(gòu)建了系統(tǒng)進化樹，結(jié)果發(fā)現(xiàn)植物編碼UPF0261結(jié)構(gòu)域的基因和編碼TBST結(jié)構(gòu)域的基因是通過2次不同的水平基因轉(zhuǎn)移(horizontal gene transfer，HGT)事件起源的，其中UPF0

6、261基因的假定供體是細菌，而TBST基因的假定供體是真菌或原核生物。植物中具有UPF061和TBST結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)序列被同一基因編碼，可能是這2個基因之間的一次基因融合(gene fusion)的結(jié)果。
　　(4)對UPF0261和TBST蛋白質(zhì)序列進行了共進化(co-evolution)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在真菌、細菌和古菌中UPF0261和TBST蛋白質(zhì)之間均存在明顯的共進化特征，表明UPF0261和TBST基因之間可能具有功能的

7、互補性，并存在交互作用。
　　(5)基于對植物Tm-1L基因的起源和進化分析，本文提出了一種新的基因起源機制，即:存在交互作用的多個基因可以通過多次獨立的水平基因轉(zhuǎn)移事件進入受體基因組，進一步在受體基因組中通過基因融合形成一個基因，并行使功能。
　　(6)為初步揭示該基因在玉米中的潛在功能，本研究分別在苗期和抽雄期對該基因的組織表達模式進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)苗期該基因在幼莖中表達量最高，而抽雄期則在雌穗中表達量最高。