新基因的起源是生命演化的重要驱动力。在新基因的起源方式中,水平基因转移（horizontal gene transfer,HGT）和从头起源（de novo）都是新基因起源的重要机制。HGT是指具有生殖隔离物种之间进行的遗传物质交流,而从头起源基因是指来自于原非编码区的新基因。尽管HGT在绿色植物的适应性进化中具有重要作用,但其在陆生植物解毒有毒生境中的作用仍有待研究。此外,已有报道表明de novo起源的新基因在真核生物基因组演化中发挥着重要的作用,然而系统阐释植物从头起源新基因的起源、遗传演化和生物学功能的研究仍较少。本文基于对目的基因系统的序列分析,解析了植物SagB、OsJDG9和OsDNE8基因的起源和演化模式,并在水稻中分别构建了三个基因的过表达系和敲除系,解析了水平转移起源基因SagB以及de novo起源水稻基因OsJDG9和OsDNE8分别在抗危害物质、籼粳分化和调控水稻产量性状中的作用。主要结果如下:一、陆生植物SagB基因的起源、演化及在抗芳香族硝基化合物胁迫中的作用研究芳香族硝基化合物不仅在自然界中广泛存在,更是用于生产医药、农药、染料和炸药的重要化工原料,也是最难降解的有机污染物之一,且对几乎所有生物都具有很高的毒性和诱变活性。因此,对芳香族硝基化合物污染的土壤进行修复一直是国际社会关注的重点问题。植物修复被认为是清理环境中污染物最为经济有效的方法。尽管一些报道表明通过引入细菌相关基因到植物中的转基因植株能够降解土壤中的芳香族硝基化合物,然而目前对植物基因降解此类化合物的报道则很少。SagB（streptolysin S（SLS）-associated gene B）基因编码一类硝基还原酶,在植物和细菌中广泛存在,然而目前尚没有对植物SagB基因起源和演化模式的分析报道,也没有对该基因在植物中开展功能鉴定的研究。本研究利用基因序列分析和系统进化分析揭示了植物SagB基因的起源和进化模式,进一步通过水稻和拟南芥的分子生物学研究,阐明了该基因在植物抗芳香族硝基化合物胁迫中的作用。主要研究结果包括:1.同源性搜索分析发现,SagB基因在几乎所有已被测序的陆生植物（苔藓、蕨类和种子植物）均有同源基因;陆生植物SagB基因与细菌同源基因表现出高度同源性,且系统进化分析表明陆生植物的祖先物种通过一次HGT从亚硝酸氧化细菌获得了该基因;进一步分析发现陆生植物SagB基因在植物演化的最初阶段经历了正选择压力作用。2.对水稻和拟南芥的SagB进行了 qRT-PCR和GUS染色分析,结果发现其在水稻和拟南芥的各组织中均有表达,且在根中的表达量相对较高;亚细胞定位分析发现,水稻和拟南芥SagB均定位于叶绿体中;此外,水稻和拟南芥SagB基因受到多种芳香族硝基化合物的诱导表达,包括爆炸物2,4,6-三硝基甲苯（TNT）、天然化合物1-硝基芘（1-NP）和除草剂二甲戊乐灵（Pen）,表明其可能与芳香族硝基化合物的抗性有关。3.植物SagB的体外酶活实验发现,该基因编码的蛋白质可以降解TNT、1-NP和Pen等多种芳香族硝基化合物;而亚硝酸盐氧化细菌SagB也具有降解这些芳香族硝基化合物的能力,表明SagB的酶活性在植物和细菌之间是相对保守的。4.进一步构建了水稻和拟南芥SagB基因的过表达系和敲除/干扰系,并对其进行了芳香族硝基化合物抗性试验,结果发现,在芳香族硝基化合物TNT和1-NP的胁迫下,过表达SagB基因植株较野生型的根长显著增加,而敲除或干扰该基因则导致植株根长显著降低,表明植物SagB基因能显著提高对芳香族硝基化合物的抗性;进一步的分析发现,植物SagB基因在体内可以将TNT降解为其衍生物氨基二硝基甲苯（ADNT）,从而提高了植物对TNT的抗性。5.与野生型相比,过表达水稻和拟南芥的SagB基因能从培养液中吸收和清除更多的芳香族硝基化合物TNT,而敲除或干扰株系对TNT的吸收和清除能力则显著降低,表明植物SagB基因对TNT污染的环境具备植物修复/转化的能力。研究结果不仅阐明了陆生植物SagB基因通过HGT方式起源于细菌,揭示了 HGT在植物解毒机制的起源方面发挥着重要作用,还为芳香族硝基化合物类污染的土壤进行植物强化修复提供了新的思路和靶基因。二、水稻OsJDG9基因的起源、演化及调控籼粳亚种间粒型分化的作用研究水稻（Oryza sativaL.）是世界上最重要的粮食作物之一,在其漫长的驯化过程中,产生了丰富的遗传多样性和明显的遗传分化,而籼稻（O.sativaL.ssp.indica）和粳稻（O.sativa L.ssp.japonica）的亚种分化便是其中最为重要的一种遗传分化方式。籼粳亚种间在形态特征、生理特性等方面都存在明显的差异,其中在外观上最为显著的区别在于其籽粒的形态。通常籼稻的粒型较为细长,而粳稻的粒型较为短圆。尽管目前有多个与水稻粒型相关的基因及其调控途径已被揭示,然而进一步挖掘调控籼粳粒型分化的关键基因,并解析其对促进籼粳亚种分化的重要作用仍有待研究。从头起源基因是起源于原非编码区的新基因。尽管已有报道表明以de novo方式起源的新基因在真核生物基因组演化中具有重要的作用,然而目前尚没有对水稻从头起源基因的起源、遗传演化及生物学功能的系统报道,也没有对这类基因在籼粳亚种分化中的作用开展研究。本研究利用比较基因组、转录组和蛋白组分析,揭示了水稻OsJDG9基因的起源模式;进一步通过水稻的分子生物学和群体进化遗传学研究,阐明了该基因调控籼粳亚种间粒型分化的作用。主要研究结果包括:1.同源性搜索分析发现,粳稻9号染色体上的一个基因仅在籼稻、普通野生稻、O.barthii、O.glumaepatula和O.longistaminata中具有高度同源的序列;进一步对这些稻属物种的比较基因组学分析发现,该基因仅在绝大部分粳稻品种和少数普通野生稻中具有编码序列特征,而在其它稻属物种中的起始密码子位点为GTG,并非真核生物的起始密码子ATG,表明该基因可能通过de novo起源方式最早起源于普通野生稻的原非编码区,并传递到绝大部分粳稻品种中,因此将其命名为OsJDG9（japonica-dominate gene on Chromosome 9）。2.对不同稻属物种OsJDG9基因区段的转录组数据库和qRT-PCR分析发现,该基因仅在粳稻和普通野生稻中表达,而在籼稻等其它物种中检测不到表达,表明该基因具有转录能力;对蛋白质组学数据库进行了分析,结果发现在粳稻的蛋白质组库中具有该基因特异性的蛋白质序列,表明该基因至少在粳稻中为编码基因;蛋白序列和结构特征分析发现,OsJDG9在C端有一个α-螺旋结构,且包含较大无序区段;进一步分析表明粳稻OsJDG9蛋白可以在体外表达;对粳稻OsJDG9蛋白进行了亚细胞定位分析,结果发现该蛋白定位于细胞膜,表明该基因编码一个膜蛋白。3.对OsJDG9基因进行了qRT-PCR和GUS染色分析,结果发现该基因在粳稻的各个组织中均有表达,且在2-9 cm幼穗中具有较高的表达水平,并随着穗发育的成熟,该基因的表达量逐渐降低,表明其可能与水稻的幼穗发育有关。4.进一步构建了OsJDG9基因在两个粳稻品种（中花11和日本晴）背景下的CRISPR/Cas9敲除突变体和过表达系,并对其表型进行了鉴定,结果发现相比于野生型,敲除OsJDG9基因导致粒长显著增加、粒宽减小和长宽比增大,而过表达该基因则导致粒长和粒宽均显著增加,表明该基因对水稻粒型具有调控作用。5.对OsJDG9转基因株系的幼穗颖壳进行了组织切片和环境扫描电镜观察,结果发现该基因负调控细胞大小,而正调控细胞数目;进一步对其进行了转录组分析,结果表明该基因通过协同调控细胞扩张和细胞周期相关基因的表达,来控制幼穗颖壳的细胞大小和细胞数目,从而影响水稻籽粒的形态与大小。6.对3K基因组数据库中2315份栽培稻的序列分析发现,99.01%的粳稻品种在OsJDG9基因区段具有起始密码子ATG,而97.58%的籼稻品种则不具备起始密码子（起始密码子位点为GTG）,表明该基因在籼粳亚种之间有明显的遗传分化特征,并将具有起始密码子的类型定义为OsJDG9Jap,而将不具有起始密码子的类型定义为OsJDG9Ind。7.进一步对2315份栽培稻的地理分布分析发现,OsJDG9Ind类型主要分布于低纬度地区,而随着纬度的升高,OsJDG9Jap类型所占的比例增大,表明OsJDG9基因在地理上存在明显的分化;对2315份栽培稻OsJDG9基因区段及其侧翼序列的遗传分化参数分析发现,该基因区段的遗传分化参数值相比于侧翼序列都相对较高,表明该基因在籼粳亚种间有明显的遗传分化。8.对28份普通野生稻和2315份栽培稻OsJDG9基因区段及其侧翼序列的核苷酸多态性（π）分析发现,该基因区段在普通野生稻、粳稻和籼稻中的π值均明显低于其侧翼序列,表明其可能受到了自然选择的作用;进一步分析发现,普通野生稻和栽培稻OsJDG9基因区段的Tajima’s D值均没有达到显著水平,表明该基因在水稻驯化的过程中,没有偏离中性进化。9.对28份普通野生稻和2315份栽培稻OsJDG9基因区段的系统进化树分析发现,OsJDG9Ind类型的籼稻分支位于Or-Ⅰ型普通野生稻分支的内部,而OsJDG9Jap类型的粳稻分支位于Or-Ⅲ型普通野生稻分支的内部;进一步对其单倍型网络进行了分析,结果发现属于OsJDG9Jap类型单倍型的粳稻与Or-Ⅲ型普通野生稻亲缘关系更近,而属于OsJDG9Ind类型单倍型的籼稻与Or-Ⅰ型普通野生稻亲缘关系更近,表明OsJDG9Ind型籼稻和OsJDG9Jap型粳稻可能独立起源于Or-Ⅰ型和Or-Ⅲ型普通野生稻。10.对296份栽培稻品种构成的自然群体中OsJDG9基因区段序列进行了重测序分析,结果发现145份粳稻品种中有144份都具有该基因,而151份籼稻品种中有138份没有该基因（起始密码子位点为GTG）,表明OsJDG9在籼粳亚种间具有明显的遗传分化;进一步对151份籼稻品种的粒型进行了鉴定,结果发现相比于OsJDG9Ind缺失型,具有该基因OsJDG9Jap类型的粒长显著降低,而粒宽显著增大,表明该基因在籼稻群体中也具有调控水稻粒型的作用,且在OsJDG9Ind和OsJDG9Jap两种类型中产生了明显的粒型分化。研究结果不仅阐明了水稻OsJDG9基因通过denovo方式起源于原非编码区,揭示了denovo起源的新基因在调控籼粳粒型分化中具有重要的作用,还为水稻粒型的遗传改良提供了一个新的靶基因。三、OsDNE8基因的起源、演化及在调控水稻产量性状中的作用研究水稻是重要的粮食作物之一,为全世界一半以上人口的主粮。产量作为水稻育种的重要目标之一,主要由有效穗数、每穗粒数和粒重决定。因此,挖掘产量性状相关的基因,并解析其调控机制,对实现水稻高产育种至关重要。来自于原非编码区的de novo起源基因是真核生物基因组演化的重要驱动力。尽管有研究表明denovo起源的新基因在真核生物的生长发育和环境适应等方面发挥着重要作用,然而目前对作物水稻中这类基因的生物学功能的报道则很少。本研究利用生物信息学分析和群体进化遗传学分析,揭示了水稻OsDNE8基因的起源与演化模式;进一步通过水稻的分子生物学研究,阐明了该基因在水稻生长发育和产量性状调控中的作用。主要研究结果包括:1.同源性搜索分析发现,粳稻8号染色体上的一个基因仅在籼稻、普通野生稻、O.glumipatula和O.meridionalis的线性区段中存在高度同源的序列;进一步对这些稻属物种的比较基因组学分析发现,该基因仅在粳稻和普通野生稻中存在完整的编码序列特征,而在籼稻（Minghui 63和Shuhui498）和O.glumipatula的编码区均存在提前终止密码子,表明该基因可能是从原非编码区通过denovo方式起源的一个新基因,其通过单碱基的突变移除了终止密码子,从而获得了编码序列特征,因此将其命名为OsDNE8（de novo evolved gene on chromosome 8）。2.对多个稻属物种OsDNE8基因区段的转录组数据和qRT-PCR分析发现,该基因在粳稻中表达,而在籼稻等其它物种中均没有表达,表明该基因具有转录能力;蛋白序列和结构特征分析发现,OsDNE8是一个稳定折叠的蛋白,其核心为α-螺旋结构,末端无序;进一步分析发现OsDNE8蛋白可以在体外表达;对该蛋白进行了亚细胞定位分析,结果发现其在细胞核、细胞质和细胞膜上均有定位,表明该基因可能是一个具有蛋白编码能力的多功能基因。3.对3K基因组数据库中2310份栽培稻的序列分析发现,99.72%的粳稻品种和54.12%的籼稻品种具有OsDNE8基因完整的编码序列特征,而45.82%的籼稻品种在其编码区存在提前终止密码子,并将具有完整编码序列的类型定义为OsDNE8,将翻译提前终止的类型定义为osdne8;对2310份栽培稻的地理分布分析发现,OsDNE8类型主要分布于高纬度地区,而osdne8类型主要分布在低纬度地区,表明两种类型在地理上存在分化。4.对28份野生稻和2310份栽培稻OsDNE8基因区段及其侧翼序列的遗传多样性进行了分析,结果发现相比于侧翼序列,该基因区段在普通野生稻和栽培稻中的核苷酸多态性（π）和群体突变速率（θw）均相对较高,表明该基因在驯化的过程中可能没有受到选择的作用;进一步分析发现,普通野生稻和栽培稻OsDNE8基因区段的Tajima’s D值均没有达到显著水平,表明该基因在驯化的过程中没有偏离中性进化。5.对2310份栽培稻和354份重测序栽培稻品种构成的自然群体以及28份普通野生稻OsDNE8基因区段序列进行了系统进化树分析,结果发现OsDNE8可能起源于普通野生稻,并被绝大多数粳稻品种遗传下来,而籼稻品种中的OsDNE8基因可能是通过渐渗杂交而来的;进一步对其单倍型网络进行了分析,结果发现属于OsDNE8类型单倍型的粳稻与普通野生稻亲缘关系更近,表明OsDNE8可能最早从普通野生稻中起源,并被绝大多数粳稻品种遗传下来。6.对OsDNE8基因进行了 qRT-PCR和GUS染色分析,结果发现该基因在水稻不同发育阶段的各个组织中均有表达,且在抽穗期的茎和幼穗中具有较高的表达水平,表明其可能与水稻的茎和幼穗发育有关。7.进一步构建了水稻中花11背景OsDNE8基因的过表达系和CRISPR/Cas9敲除突变体系,并对其表型进行了鉴定,结果发现相比于野生型,该基因突变体植株的株高和茎秆各节间长度均显著增加,而过表达系与之相反;进一步对茎秆进行了组织切片观察,发现该基因突变体植株第三节间的细胞长度较野生型显著增加,而过表达植株与之相反,表明OsDNE8基因通过负调控细胞伸长来控制节间的长度,从而影响水稻植株的株高。8.对OsDNE8转基因植株的倒伏性进行了分析,结果发现相比于野生型,该基因过表达植株的倒伏指数显著降低,而突变体的倒伏指数显著增加,表明该基因正调控水稻植株的抗倒伏性;进一步的分析发现,该基因对水稻植株抗倒伏性的调控主要通过影响株高以及节间的长度。9.对OsDNE8转基因植株的穗部性状进行了分析,结果发现相比于野生型,敲除该基因能显著增加穗长和二次枝梗数,并导致突变体株系的每穗粒数增加,而过表达植株的穗长、二次枝梗数和每穗粒数均显著降低,表明该基因对水稻的穗型有显著的影响,并负调控穗粒数。10.对OsDNE8转基因植株的粒型进行了分析,结果发现相比于野生型,该基因突变体的粒长显著增加、粒宽显著减小,而过表达植株的粒长显著减小、粒宽显著增加,表明该基因对水稻粒型具有调控作用。11.相比于野生型,OsDNE8突变体植株的有效穗数显著增加,而过表达植株的有效穗数显著降低,表明该基因是有效穗数的负调控因子;此外,敲除或过表达该基因对水稻植株的千粒重都没有显著的影响;进一步对该基因转基因植株的单株产量进行了分析,结果发现两个突变体株系的单株产量较野生型分别增加了 20.52%和21.60%,而两个过表达株系分别降低了19.92%和18.84%,表明该基因是水稻产量的负调控因子,且主要通过影响有效穗数和穗粒数来调控产量。研究结果不仅阐明了水稻OsDNE8基因的de novo起源方式和群体演化模式,揭示了该基因在水稻生长发育中的重要功能,还为水稻高产育种和多个性状的遗传改良提供了一个新的靶基因。