禾本科植物F-box和LBD基因家族的比较和进化分析

摘要

禾本科(Poaceae)植物是世界上分布范围最广的单子叶植物，同时也是最具有经济价值的大科。禾本科作物不仅是人类粮食和牲畜饲料的主要来源，同时也是加工淀粉、制糖、酿酒、造纸、编织和建筑方面的重要原料。近年来，随着基因组学的迅猛发展，多个禾本科植物基因组相继完成测序，为进一步分析和挖掘这些基因组中蕴藏的信息并开展相应的进化和遗传研究奠定了基础。本研究基于生物信息学方法对禾本科植物F-box和LBD基因家族进行了系统的比较和进化分析，为进一步探索开展目的基因的功能鉴定提供了理论依据。主要研究结果包括:
　　(1)F-box蛋白广泛存在于真核生物中，典型特征是其蛋白质序列中含有F-box结构域。在泛素-蛋白酶体途径(ubiquitin-proteasome pathway，UPP)中，F-box蛋白因特异识别底物蛋白而参与细胞周期调控、转录调控、细胞凋亡、细胞信号转导等生命活动。在植物中，F-box蛋白质家族是最大的、也是进化最迅速的家族之一。为进一步阐述F-box基因家族在禾本科植物中的进化规律，本研究选择二穗短柄草（Brachypodium distachyon）、玉米（Zea mays）、水稻（Oryza sativa）、高粱（Sorghum bicolor）和谷子（Setaria italic）5个物种的基因组对F-box基因家族进行了比较和进化分析。5个代表性物种基因组中的F-box基因数目呈现出明显的差异，在二穗短柄草、玉米、水稻、高粱和谷子中分别鉴定出641、322、742、576和753个F-box基因;不同物种间的F-box基因数目比例也显著不同于物种间总基因数的比例，表明F-box基因在不同的禾本科植物之间具有明显的进化模式。进一步研究发现在水稻和谷子中存在大规模的基因复制现象，而在玉米中F-box基因经历了比较频繁的丢失现象。通过F-box同源基因簇（clusters of orthologous genes）之间的适应性进化分析，我们发现纯化选择是F-box基因家族进化的主要驱动力，但有些同源基因簇也经历了明显的正选择作用。值得注意的是，玉米中的F-box基因相对于我们所研究的其他几个物种而言受到的正选择压力较弱，这可能是由于较少的基因重复而导致的纯化作用结果。此外，本研究进一步拓展了结构域之间共进化的研究方法，将肯德尔秩相关系数（Kendall rank correlation coefficient）应用到结构域间共进化位点的检测。结果表明，除含有FBA和Herpes_UL92结构域的这2个亚族没有检测到共进化位点对以外，其它9个亚族均检测到了共进化位点对。
　　(2)LBD（Lateral organ boundaries domain）基因是高等植物所特有的一个基因家族，该家族成员的典型特征是在N-端包含有一个保守的LOB结构域。LBD基因在侧生器官原基的启动、侧生器官的形态建成以及侧生器官与茎尖分生组织（SAM，shoot apical meristem）之间边界的建立等生理生化活动中发挥着重要的作用。本研究通过系统发育分析将5种代表性禾本科植物（二穗短柄草、玉米、水稻、高粱和谷子）中共189个LBD基因分为33个同源基因簇，表明在禾本科祖先物种中至少含有33个LBD基因。本研究进一步对基因复制和丢失事件进行了估计，发现水稻和玉米经历了较为频繁的基因复制事件。通过对旁系同源LBD基因的进一步分析发现，串联重复是水稻和玉米旁系同源LBD基因的主要复制方式。同源基因簇的适应性进化分析结果表明，纯化选择主导了禾本科LBD基因家族的进化，但是仍有相当一部分同源簇经历了正选择。最后，本研究对水稻LBD基因在非生物胁迫下的表达模式进行了深入的探讨，发现了1对水稻旁系同源LBD基因在热激条件下具有不同的表达模式，表明这对重复基因间发生了功能性分化。

目录

摘要

符号说明

第1章 禾本科植物基因组研究进展和进化机制

1．1 禾本科基因组研究进展

1．2 基因重复

1．3 适应性进化与中性进化

1．3．1 自然选择

1．3．2 正选择与适应性进化之间的联系

1．3．3 中性进化

1．3．4 自然选择学说与中性进化理论的相互补充

1．4 禾本科基因家族的进化

1．4．1 什么是基因家族

1．4．2 多基因家族

参考文献

第2章 禾本科物种中F-box基因数目变异以及适应性进化

2．1 材料与方法

2．1．1 序列获取和结构域分析

2．1．2 多序列比对和构建系统进化树

2．1．3 正选择作用检测

2．1．4 两个保守结构域位点间的共进化

2．2 结果与分析

2．2．1 5种代表性禾本科植物基因组中F-box基因的鉴定以及分类

2．2．2 进化保守的F-box基因的数目变异

2．2．3 禾本科植物F-box同源基因簇的适应性进化分析

2．2．4 禾本科植物F-box重复基因的适应性进化分析

2．2．5 F-box蛋白两个保守结构域间的共进化

2．3 讨论

参考文献

第3章 禾本科植物LBD基因家族的分子进化研究及非生物胁迫下的表达模式分析

3．1 材料与方法

3．1．1 禾本科植物LBD基因鉴定

3．1．2 序列分析

3．1．3 正选择作用检测

3．1．4 微阵列数据分析

3．2 结果与分析

3．2．1 LBD基因系统发育分析

3．2．2 LBD同源基因簇的适应性进化

3．2．3 禾本科植物LBD基因的适应性进化分析

3．2．4 非生物胁迫下水稻LBD基因的表达谱分析

3．3 讨论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢

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