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复杂性状的适应性进化一直是植物分子进化研究领域的重要研究方向。CBF/DREB信号通路在植物适应冷、盐害等逆境胁迫中起着重要作用,并且可能广泛存在于各类植物中,这为验证逆境分子适应性进化提供了理想的基因进化研究模式。
本研究以十字花科植物作为研究对象,选择该科主要谱系分支并具有不同生境背景的代表物种,克隆CBF/DREB信号通路上的CBF,COR15和ICE基因同源序列;在此基础上分析通路中不同位置基因的进化式样。主要研究结果如下:
1.对12种植物的COR15基因序列进行了克隆测序。进化分析表明,该基因在十字花科不同谱系分支都发生了独立的基因重复。最大似然分析显示,葶苈-穴丝荠谱系支存在两个相对独立的分支,来自于一次最近的基因重复事件。同义替代(Ka)和非同义替代(Ks)分析结果表明,氨基酸替代在两个分支上,由于选择压力不同而存在差异。位点专一性漂变分析同样证明两者在进化指标上存在差异。上述分析表明基因重复后的COR15b基因表现出明显的适应性进化和功能分化。此外,表达模式分析也表明穴丝荠的两个基因拷贝Cd-COR15a和Cd-COR15b对胁迫的应答存在差异,进而证明两个重复拷贝存在功能上的分化。
2.通过克隆测序获得了12个物种的CBF/DREB保守区域序列,所有序列具有保守的AP2结构域与典型的DSAWR指纹结构特征,都为CBF/DREB家族的同源基因序列。进一步的进化分析结果表明,CBF序列结构域在十字花科内呈现马赛克进化:在基因的C端,非同义替代和同义替代均高于AP2结构域。
3.首先从穴丝荠和盐芥中克隆到ICE-like基因的cDNA编码的全长序列,然后在保守区域设计引物对另外5种植物的同源序列进行了克隆测序。对所有ICE序列的进化分析表明,酸性区域存在的进化速率明显高于其它结构域的进化,正选择位点多数位于酸性区域。此外,表达模式分析表明,盐芥Ts-ICE-like不受寒冷等非生物环境胁迫的诱导或抑制,也不受植物激素ABA的影响。
4.对CBF/DREB信号通路不同位置基因的进化特征分析表明:位于通路上游的ICE基因的进化速率明显低于两个下游基因CBF和COR15基因的进化;通路中基因的非同义替代从上到下呈现逐渐增大的进化趋势。Ka,Ks与遗传距离的回归曲线模拟和PAML模型分析结果都支持这趋势。Nc-plot分析表明,ICE和COR15基因表现出密码子的偏好性差异,而CBF基因的密码子偏好性并不明显。通路中基因非同义替代速率逐渐增大的进化特征,可能主要是由于正选择作用,而非选择松弛所导致。这种进化特征与通路的逆境适应可能密切相关。