细胞自噬是一种真核生物中非常保守的细胞内物质降解机制,通常是指细胞受到信号诱导后,在胞内从头合成双层膜包裹胞质的自噬体,与溶酶体或液泡融合,进而降解其所包含的内容物的过程。在过去的研究中,虽然细胞自噬已经被证实了在多种植物发育以及响应各种胁迫过程中发挥着重要的作用,但细胞自噬在植物中的分子机制、调节途径和潜在作用仍然在很大程度上是未知的。小立碗藓(Physcomitrellapatens)是一种结构相对简单的苔藓植物,在进化上是从水生到陆生的过渡类型、具有很特殊的地位,因此是研究植物发育和水生到陆生植物性状进化的理想材料。小立碗藓已发展成研究植物发育和性状进化的模式植物。本研究基于小立碗藓的全基因组序列,利用生物信息学和现代分子生物学研究手段,系统调查了小立碗藓中细胞自噬相关基因(autophagy-relatedgene,简称ATG)的结构特征与表达规律,以期为理解植物细胞自噬过程相关基因的进化与生物学功能提供基础资料。本研究的主要结果如下:1.小立碗藓ATG基因共19类38个,每类具有的成员数是不均等的,其中PpATG2、PpATG3、PpATG5、PpATG7、PpATG10、PpATG12、PpATG16、PpATG20、PpTOR和 PpVPS34 均只有 1 个成员,PpATG4、PpATG6、PpATG9、PpVPS15 各含有 2 个成员,PpATG1、PpATG18和PpVTI12分别含有3、4和5个成员,而PpATG8含有6个成员。通过染色体定位和基因复制分析发现,小立碗藓ATG基因共发生了 8对大片段复制事件和2对串联复制事件,它们发生在Chr1、Chr2、Chr7、Chr9、Chr11、Chr14、Chr17、Chr18、Chr19、Chr21 这 10 条染色体上,这些事件说明基因复制在小立碗藓ATG基因的扩增和进化中发挥了重要作用。与莱茵衣藻(C reinhrdtii)和拟南芥(A.thaliana)同源蛋白的序列比对和进化树分析表明,小立碗藓ATG蛋白序列与拟南芥相应同源蛋白表现出更高的同源性。同样,ATG蛋白的亚细胞定位预测分析发现,与莱茵衣藻相比,小立碗藓ATG蛋白在细胞内的分布情况与拟南芥同源蛋白更为相似。在基因结构方面,较之莱茵衣藻,小立碗藓ATG基因的内含子个数和外显子长度与拟南芥同源基因更为保守。这些结果表明,自噬相关蛋白和基因在植物登陆前后发生了保守的功能和结构分化。2.通过实时荧光定量PCR的方法调查了两种不同发育阶段四种不同胁迫下小立碗藓ATG基因的表达情况,它们的时空表达具有一定的差异性。原丝体阶段,在N-free、高盐、黑暗、干旱胁迫下,分别有8个,7个,20个和21个ATG基因发生了上调或下调表达,同时有9个基因不响应其中任一种胁迫;配子体阶段,在N-free、高盐、黑暗、干旱胁迫下,分别有7个,20个,14个和6个ATG基因发生了上调或下调表达,同时有10个基因不响应其中任一种胁迫。在两种发育阶段下都不响应胁迫的基因中仅只有PpATG5。这些基因的表达差异说明不仅不同类别的小立碗藓ATG基因具有不同的时空表达模式,而且相同类别中的各个成员也具有时空表达模式的差异,它们可能在小立碗藓不同发育阶段应对不同胁迫条件的过程中起着多重作用。3.通过细胞自噬诱导剂雷帕霉素(Rapamycin)的处理后,发现小立碗藓经处理过后干旱比正常干旱出现更加发黄枯萎的症状,表明细胞自噬诱导剂雷帕霉素可以影响小立碗藓干旱,初步说明细胞自噬可能与小立碗藓干旱能力有关。通过构建泛素样缀合酶PpATG3基因的植物瞬时表达载体,在小立碗藓原生质体中观察到了荧光信号,证实了小立碗藓中细胞自噬在胞质中的发生。通过构建PpATG3基因的同源重组敲除载体,并将其进行小立碗藓转化,我们筛选到了一株PpATG3基因缺失的突变株ATG3-1,在正常条件下培养一个月,突变株表现出很严重的发黄衰老的现象,说明小立碗藓细胞自噬与营养胁迫诱导的衰老过程有关。本研究的结果不仅拓展了细胞自噬在小立碗藓胁迫响应过程中作用的认识,同时也为进一步研究细胞自噬在植物进化过程中适应逆境所扮演的角色和分子机制提供了新的方向和可能。