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脯氨酸积累是许多生物,包括高等植物,在环境胁迫下的一种广泛存在的代谢适应机制,并被证明在干旱,高盐,重金属,紫外线等非生物胁迫中对植物起着保护作用。自从半个多世纪前被首次报道以来,对它的研究主要集中在环境胁迫下的调控和功能,而对其代谢途径及其胁迫调控方式在近缘物种之间的进化尚没有报道。多倍化是植物进化的重要动力,直接导致基因重复,形成的重复基因在进化过程中会产生序列变异、表达模式变化或形成新的功能基因,最终导致多倍体表型的变化。植物育种中,经常将杂交和多倍化相结合获得优良表型的异源多倍体,理解多倍体重复基因的进化机制能够为多倍体育种提供理论依据。但是,目前有关多倍体中重复基因的进化尤其是基因表达的调控机制尚缺乏深入的研究。
本文选取多倍化研究的经典系统白菜和甘蓝以及白菜和甘蓝杂交形成的异源四倍体油菜为材料,系统地研究脯氨酸代谢途径上的关键酶基因在多倍体中的进化命运,即同源基因不同拷贝的保留和表达模式的分化。油菜脯氨酸代谢途径基因均存在多拷贝同源基因,P5CS1、P5CS2、OAT和PDH1同源基因拷贝数分别为:5、4、2、5。序列同源性比对结果表明,这些基因均和其亲本白菜和甘蓝来源的基因高度同源,P5CS1、P5CS2、OAT和PDH1的gDNA同源性分别为:96-100％、97.1-99.3％、96.9-100％、96.8-100％。特别是油菜基因BnP5CS1 C1和BnPDH1_A2的编码区全长序列和亲本(分别为甘蓝和白菜)序列完全相同。依据白菜和甘蓝的基因组序列设计特异性引物,利用PCR扩增油菜中的同源基因,结果表明油菜中来源于甘蓝的BnP5CS1_C3基因和来源于白菜的BnPDH1_A3基因可能发生了基因丢失或者片段缺失。对盐处理条件下和不同器官中油菜同源基因的表达模式的研究表明,来源于不同二倍体亲本的同源基因P5CS1(BnP5CS1_A1和BnP5CS1_C1)和P5CS2(BnP5CS2 A1和BnP5CS2_C2)的表达模式出现分化。盐胁迫下,来源于C基因组(甘蓝)的BnP5CS1_C1的诱导速率比来源于A基因组(白菜)的BnP5CS1_A1快；BnP5CS2_A1表达上调而BnP5CS2_C2表达不变。正常条件下,BnP5CS2_A1在幼叶中表达量最高,而BnP5CS2_C2在花和花苞中表达量较高；BnP5CS1_C1在幼叶中表达量最高,而BnP5CS1_A1在茎中表达量较高。脯氨酸合成途径的OAT同源基因(BnOAT_A1和BnOAT_C1)在不同器官中的表达模式却没有分化,均在花器官中表达量最高。半定量RT-PCR比较研究了盐处理条件下油菜同源基因和亲本基因的表达模式,结果表明,油菜中的P5CS1同源基因(BnP5CS1_A1和BnP5CS_C1)和P5CS2同源基因(BnP5CS2_A1和Bn_P5CS2_C2)都保持了亲本来源基因在盐胁迫下的诱导模式。盐胁迫下,油菜、白菜和甘蓝的脯氨酸含量均增加,其中油菜积累的脯氨酸含量最高。