P34功能转变和豆科植物重要性状的分子进化研究

摘要

豆科植物是被子植物中的第三大科，分布广泛，在农业生产中广泛种植。它具有根瘤固氮特性，种子中富含油分和蛋白质，以及生物碱和类黄酮等次级代谢产物，具有极高的经济价值。因此，开展豆科植物研究具有理论与应用价值。全基因组复制是基因和物种进化的重要动力。业已表明，在豆科植物形成后不久，大多数豆科植物基因组在5800万年前经历了一次全基因组复制。P34是一种致过敏性最强的大豆储藏蛋白，也可能是参与植物防御反应的丁香交酯受体，而先前的研究却表明P34的祖先可能是一种半胱氨酸蛋白酶。由此，有理由猜测这次全基因组复制对豆科植物基因功能和众多特性的进化产生重要影响。本研究首先分析P34功能转变的进化细节，以了解新基因形成的进化规律;其次在全基因组水平上分析这次豆科植物复制基因的进化特征，进而探索其与豆科植物重要特性间的关联。其主要结果如下：
　　 ⑴利用共线性网络数据库搜索P34的同源序列，与SPE31一起构建基因树;结合基因表达和三维结构数据分析P34的进化机制。结果表明:基因多次复制、外显子重排及其导致的granulin结构域丢失和一些重要位点突变同P34功能转变相关联。尽管一些测验支持了正选择的存在，但同功能转变有关的位点并未检测到正选择，说明新功能可能是中性选择和随机固定的结果。此外，发现Glyma08g12340和Medtr8g086470是木瓜蛋白酶的新亚家族。本章介绍了一个功能转变研究的典型案例，有助于理解储藏蛋白和过敏原的起源;
　　 ⑵利用大豆、苜蓿、木豆和百脉根4种豆科植物和葡萄、杨树和拟南芥3种非豆科植物的所有基因，重建了7个物种基因树，并与物种树比较，以推断出代表早期豆科植物全基因组复制的结点。结果表明:在不考虑分支的Bootstrap值，仅考虑基因树的拓扑结构的情况下，4种豆科植物大约共保留26.5％的复制基因，且豆科植物保留复制基因随物种不同而异。大量复制基因间表达模式发生较大分歧。GO富集分析结果表明:豆科植物在这次全基因组复制中倾向保留响应环境变化和负责物质运输的复制基因。并且发现许多可能和豆科植物的特殊性状有关的富集过程。本章可为进一步探索影响豆科植物特殊性状进化的分子机制提供了线索。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1 突变与选择

1．1 突变的类型

1．2 影响突变速率的原因

1．3 突变的命运

2 分子系统发育重建

2．1 系统发育树

2．2 重建系统发育树

2．3 直系同源和旁系同源的判断

3 编码蛋白质基因的进化

3．1 同义置换率和非同义置换率

3．2 直系同源基因的进化

3．3 复制基因的进化

4 新基因诞生的机制

5 P34的研究进展

5．1 P34是最强的大豆过敏原

5．2 P34的低过敏种质创新

5．3 P34的生物学性质

5．4 P34与植物防御

5．5 同源蛋白SPE31的三维结构

6 植物全基因组复制与进化

6．1 全基因组复制是重要的进化动力

6．2 全基因组复制广泛存在于植物进化过程中

6．3 复制基因的丢失差异

6．4 复制基因的进化

6．5 全基因组复制和表观遗传学

6．6 豆科植物早期的全基因组复制

7 本研究的目的与研究内容

第二章 P34的进化起源与功能转变

1 引言

2 材料与方法

2．1 数据获取

2．2 编码序列的检查和假基因的鉴定

2．3 共线性网络分析和系统发育重建

2．4 GABranch和正选择检验

2．5 祖先序列的重建

3 研究结果

3．1 共线性网络分析和系统发育重建

3．2 P34和SPE31的进化

3．3 基因复制后的分歧进化

3．4 正选择检验

4 讨论

4．1 功能转变的实现

4．2 分子进化的动力

4．3 共线性网络

第三章 全基因组复制对豆科植物性状进化的作用

1 引言

2 材料和方法

2．1 基因组数据

2．2 系统发育重建

2．3 转录组数据处理

2．4 GO分析

3 结果

3．1 复制基因的丢失与保留

3．2 复制基因的表达模式存在明显差异

3．3 GO功能富集分析

4 讨论

4．1 全基因组复制对共生固氦相关过程的影响

4．2 全基因组复制后的基因多样性

第四章 全文结论及创新点

1 全文结论

2 创新点

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文