作为重要的经济作物,豆科植物的产量提升有助于为日益增长的人口提供充足的食物和可再生能源,并为工业生产提供大量基础原料。在自然界中,豆科植物常与各种其他生物产生相互作用,其中最为常见的是病原生物与共生生物。这些相互作用会对豆科植物的产量产生重要影响,因此越来越多的研究开始关注这一领域。此前,多种豆科植物被用于抗病研究之中。以大豆为例,目前常见的大豆病害包括了大豆胞囊线虫、大豆花叶病毒、大豆锈病等。其中,大豆胞囊线虫(Soybeancystnematode,SCN)是一种严格固着内寄生的害虫。此前的研究将大豆抗SCN的Rhg4位点定位于八号染色体上,该基因编码了丝氨酸羟甲基转移酶。Rhg4基因在不同植物中均具有多个拷贝,不同拷贝在亚细胞中的定位和功能也不尽相同。其中,大豆中的SHMT基因(Rhg4)和拟南芥AtSHM1都被证明与宿主防御有关,然而两者之间的演化关系尚未明确。因此,为了了解植物如何演化出多个SHMT基因并且揭示它们之间的关系,我们对植物中的SHMT基因家族进行进一步的演化分析,并结合野生大豆和栽培大豆的基因序列差异比较,以了解该抗性的产生机制。此外,在豆科植物与根瘤菌共生的研究中,我们将模式植物苜蓿作为研究对象,对其影响共生建立前期侵染线内的细菌释放和共生建立中后期共生体的成熟与根瘤的形成相关的重要功能基因进行了研究。目前,本研究获得的主要结论如下:1、大豆对胞囊线虫的抗性来源于大豆SHMT基因复制后的人工选择事件本研究对18个代表性植物的117个SHMT基因进行了序列分析,并构建了其系统发育关系。植物中的SHMT基因家族包含两个主要分支和四个亚分支。在subgroupⅠa中,我们检测到rhg4基因及与其同源的rhg4h基因,它们来源于大豆发生的全基因组复制事件。经过复制产生的rhg4和rhg4h基因在大豆种群中经历了不同程度的功能演化,其中rhg4基因积累了更多的非同义替换。在野生大豆中我们未检测到SCN抗性等位基因Rhg4,这表明抗性Rhg4的产生并非来源于野生大豆,而是可能近期发生的人工选择事件。2、在豆科模式植物苜蓿中对插入型突变体的目的基因进行基因定位Tnt1是一种适用于建立苜蓿插入型突变株的烟草逆转录转座子,人们利用该元件,构建了庞大的突变体库。虽然该突变体库在功能基因组学研究中具有重要作用,但同一株系中往往包含了大量插入位点,这对我们寻找目的基因造成了极大的困难。为了更好地对Tnt1突变体进行遗传筛选,我们需要设计其他遗传工具。在本研究中,我们利用Tnt1背景生态型R108和另一常用生态型A17(该基因组经过测序后被较好地组装)构建杂交群体。通过比较两个基因组的同源序列和两种多态性(SNP和INDEL),我们设计了一套CAPS标记和大量的SSR标记。利用这些资源,我们对存在根瘤共生缺陷的Tnt1突变系NF9157进行了目的基因的定位。同时,我们设计的遗传工具也为研究苜蓿的插入型突变系的分子工具库提供了有效的补充。3、依靠可变剪接产生的SYP132A在共生中起重要作用豆科植物与根瘤菌之间能否进行有效的交流是能否建立共生体系的关键。在进行物质跨膜交换的过程中,syntaxin蛋白起到了重要作用。此前研究发现,在共生过程中,一种称为SYP132的syntaxin基因与DNF1(DefectiveinNitrogenFixation1)基因共表达,而后者编码了一种根瘤特异性信号肽酶,由此推测SYP132与根瘤共生相关。本项研究中,我们发现苜蓿中的SYP132基因通过可变剪接作用产生了两个转录本——SYP132A与SYP132C,其中前者定位于共生体膜上且在共生的建立中发挥重要作用。为了研究植物中SYP132的可变剪接机制是如何演化得到的,我们对37个代表植物的SYP13基因进行了系统发育分析,结果发现植物中的SYP13基因主要从被子植物开始分为两支:GroupⅠ和GroupⅡ,而前者又分为GroupⅠa和GroupⅠb,。其中,GroupⅡ包含了单子叶植物和双子叶植物的SYP132基因,而SYP132基因的可变剪接正是来自于这一支的双子叶植物。同时,通过对氨基酸序列的分析和细胞亚定位实验,我们发现苜蓿中SYP132不同转录本TMdomain的前三个氨基酸是它们存在定位和功能差异的重要原因。