NBS类抗病基因在被子植物中的动态演化研究

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近年来,随着基因组测序技术的飞速发展,越来越多的植物基因组被测序。由于NBS基因在植物免疫系统中的重要作用,研究人员对二十余种植物基因组中的NBS基因进行了调查,为NBS基因的演化分析和植物抗病育种提供了丰富的信息。但是以往的研究大多只针对单个基因组中NBS基因的总体情况进行调查,导致对NBS基因动态的演化缺乏认知,因此无法观察NBS基因在较长演化尺度上的动态演化特征。本研究利用生物信息学和比较基因组学的手段,分别在科的演化尺度和被子植物的演化尺度上对NBS基因的演化进行了研究,追溯了NBS基因在被子植物共同祖先中的存在状态,揭示了NBS基因在物种分化过程中的动态演化特征,并探讨了不同类型的NBS基因演化模式的异同。  首先,通过生物信息学手段分别对测序的5个十字花科物种和4个豆科物种中的NBS基因进行了鉴定,发现这些物种中NBS基因的数目和不同类型NBS基因所占的比例存在很大的差异。如:5个十字花科物种中NBS基因的数目普遍较少(88~204条),而4个豆科物种中NBS基因的数目普遍较多(289~571条);5个十字花科物种中有4个物种TNL基因的数目远远多于nTNL基因,与之相反,豆科物种中nTNL基因的数目普遍多于TNL基因。另外,对豆科和十字花科物种中NBS基因的分布模式分析发现,大多数的NBS基因都是成簇存在于染色体上,只有少数是以单基因的形式存在;共线性图谱及系统演化分析结果表明,十字花科和豆科不同物种间的NBS基因位点存在相当比例的存在/缺失多态性。  其次,为了追溯十字花科和豆科物种共同祖先中NBS基因的存在情况,我们通过分别构建TNL和nTNL基因的系统演化树,发现不同的物种对其共同祖先的NBS基因呈差异性继承,在物种的分化过程中祖先基因发生了频繁的丢失。并且大多数基因家族在物种分化过程中经历了物种特异性的NBS基因丢失和复制。值得注意的是,仍有少数的NBS基因家族一直保守存在。通过全面分析十字花科和豆科中物种分化前后NBS基因的动态演化,发现在十字花科物种从共同祖先分化前后,NBS基因经历了“先扩张后收缩”的演化模式;而豆科物种分化前后,NBS基因呈现出“持续扩张”的演化模式,并且串联重复是其基因扩张的主要方式,而异位复制也占到了一定的比例。NBS基因在十字花科和豆科物种中演化模式的差异可能是导致两个科中NBS基因数目差异的主要原因。  最后,我们首次在被子植物的演化尺度对NBS基因的演化进行了研究,发现在被子植物的共同祖先中至少存在29个古老的NBS基因,其中包括18个nTNL和11个TNL基因。在长期的演化过程中,这些祖先NBS基因并没有被所有调查的物种所继承,而是在不同的演化阶段频繁地发生丢失,并且TNL基因的丢失现象比nTNL基因更加严重。此外,我们还发现从被子植物的演化尺度来看,nTNL基因中具有RPW8结构域的RNL基因并不是从CNL基因的一支分化而来,而是与CNL基因呈姐妹类群的关系,提示RNL基因是一类古老起源的NBS基因。这也表明被子植物nTNL基因事实上包括了RNL和CNL两类古老的NBS基因类型。
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