雷蒙德氏棉和亞洲棉萜類化合物合成關(guān)鍵基因家族的全基因組鑒定和系統(tǒng)發(fā)育研究.pdf

1、萜類化合物是植物中最大的一類次生代謝產(chǎn)物，在植物生長發(fā)育過程中起著非常重要的作用。在植物中萜類化合物通過兩條途徑合成，一條是位于細(xì)胞質(zhì)中的MVA途徑，另一條是位于質(zhì)體中MEP途徑。其中，3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶(HMGR)是MVA途徑的限速酶，直接影響著細(xì)胞質(zhì)萜類化合物合成所需前體物質(zhì)的合成。萜類合成酶(TPS)催化中間產(chǎn)物合成各種各樣的萜類化合物，其種類和功能決定著植物合成萜類化合物的多樣性。棉屬植物特有的萜類化合物——棉

2、酚及其衍生物是一類植保素，防御其免受病蟲的侵害。在長期的自然選擇過程中，棉屬植物這一特征的獲得與其基因組中萜類化合物合成途徑相關(guān)基因的進化密切相關(guān)。目前，越來越多的物種，特別是棉屬兩個二倍體棉種雷蒙德氏棉和亞洲棉，已經(jīng)完成基因組測序，為通過比較基因組學(xué)方法探究棉花合成棉酚的分子機理提供了數(shù)據(jù)支持。棉酚的合成過程中，HMGR是棉酚合成所需前體物質(zhì)合成途徑中的關(guān)鍵酶，而(+)-δ-杜松烯合成酶(CDNS)作為一種萜類合成酶，是棉酚合成的另一

3、關(guān)鍵酶。本研究利用兩個二倍體棉種的基因組數(shù)據(jù)，并結(jié)合其它植物基因組數(shù)據(jù)，對棉花萜類化合物合成過程中兩個關(guān)鍵酶HMGR和TPS基因家族，進行全基因組鑒定和系統(tǒng)發(fā)育研究，以探索棉屬植物合成棉酚的分子機理和進化原因。主要結(jié)果如下:
　　1.利用20種植物的基因組數(shù)據(jù)，分析MVA途徑相關(guān)基因在綠色植物中的存在狀況，重點研究MVA途徑關(guān)鍵酶HMGR基因家族的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和分子進化規(guī)律。結(jié)果表明:①在進化過程中綠藻門藻類已經(jīng)丟失MVA途徑，而

4、陸生植物同時保持著MVA途徑和MEP途徑的分室運行;②植物HMGR基因可能起源于一個祖先基因，并且最終在單子葉植物和雙子葉植物中都分化為兩個亞族;③HMGR基因在玉米、雷蒙德氏棉、毛果楊和大豆中發(fā)生物種的特異性擴增，其中片段復(fù)制可能是導(dǎo)致玉米、毛果楊和大豆HMGR基因擴增的主要原因，而雷蒙德氏棉HMGR基因的擴增是片段復(fù)制和串聯(lián)復(fù)制共同起作用，推測雷蒙德氏棉中HMGR基因這種以物種特異性的方式進行擴增，可能與其生長發(fā)育過程中需要合成大量

5、的棉酚及其衍生物有關(guān);④HMGR基因發(fā)生復(fù)制后，功能的分化受到嚴(yán)格限制，這符合HMGR在萜類化合物合成過程起著關(guān)鍵作用這一特點。
　　2.利用雷蒙德氏棉和亞洲棉基因組數(shù)據(jù)，對HMGR基因在兩個基因組中進行全面的比較分析。結(jié)果表明:①HMGR基因在雷蒙德氏棉和亞洲棉中均發(fā)生明顯的擴增，都存在一個包括四個HMGR基因的基因簇，進化分析表明這種HMGR基因的擴增在雷蒙德氏棉和亞洲棉共同的祖先種中已經(jīng)發(fā)生;②在雷蒙德氏棉和亞洲棉中，大多數(shù)

6、HMGR基因都是在根中表達量最高，符合棉屬植物在根中合成大量的棉酚這一特征;③在兩個棉種之間的直系同源HMGR基因的表達已經(jīng)開始分化，這可能與雷蒙德氏棉和亞洲棉適應(yīng)不同的生長環(huán)境有關(guān);④與雷蒙德氏棉相比，亞洲棉有一個HMGR假基因。
　　3.利用雷蒙德氏棉和亞洲棉的基因組數(shù)據(jù)，在全基因組水平上對棉花TPS基因進行系統(tǒng)鑒定，結(jié)果表明:①串聯(lián)復(fù)制導(dǎo)致TPS基因在棉屬植物中顯著擴增，其中TPS-a亞家族基因的串聯(lián)復(fù)制更明顯;②TPS基因

7、發(fā)生擴增后，在雷蒙德氏棉和亞洲棉之間的進化明顯不同;③棉花CDNS基因是TPS-a亞家族祖先基因發(fā)生串聯(lián)復(fù)制后，功能分化產(chǎn)生的，有些CDNS基因形成后又發(fā)生串聯(lián)復(fù)制而導(dǎo)致基因數(shù)目的增加;④CDNS基因在雷蒙德氏棉和亞洲棉物種形成以后，經(jīng)歷了物種的特異性進化，但是有一個CDNS基因簇在兩個棉種基因組中非常保守，推測該基因簇可能在棉屬植物合成棉酚途徑中起著極其重要的作用。
　　綜上所述，本研究通過比較基因組學(xué)方法發(fā)現(xiàn)萜類化合物合成途徑