根寄生和茎寄生植物中的水平基因转移研究及其机制探讨

Compared with natural mutation, HGT introduces evolutionary novelties to recipient organisms and thus is critical to the evolution of cellular organisms. Due to the limits in understanding the molecular mechanisms of HGT and the shortage of genome information in key species, HGT currently is only well recognized in prokaryotes, unicellular eukaryotes and those involved in organelles in eukaryotes, however, HGT between nuclear genomes of higher plants is thought rare and no biological significance being short of genomic or transcriptomic data from key species. Recently, the next-generation sequencing technology not only offers plenty of transcriptome data for many non-model organisms but also provides the genome information of taxonomically related species with the interests. Parasitic systems are considered as a possible means in mediating HGT but evidences of efficacy are still lacking. By use of next-generation sequencing technology and transcriptome analysis, we plan to systematically identify all the HGT originated genes in the transcriptomes of two different kinds of non-obligate parasitic plants, one is root holoparasitic plant Orobanche aegyptiaca and the other is stem holoparasitic plant Cuscuta australis, and estimate the scale of HGT in these two parasitic plants. Secondly, we will clarify whether parasitic systems could notably mediate the occurrence of HGT. Lastly, combining the functional annotation, we will evaluate the impact of HGT to the adaptive evolution of non-obligate parasitic plants. our study will provide insights into the molecular mechanisms of HGT between higher plant genomes. Furthermore, the prospective results of this project may provide ideas for the development of new transgenic methods.

与自然突变相比，水平基因转移（HGT）可以快速地为受体生物提供新基因，因而对物种进化具有重要意义。受HGT发生机制的理解和有限基因组信息的限制，目前认为HGT大多发生在原核和低等单细胞真核生物，对高等真核生物核基因组之间的HGT因研究较少而对其发生规模和意义都认识不足。二代测序技术的发展为非模式生物的研究对象提供了大量的转录组学数据和关键近缘物种的基因组信息。寄生关系虽被认为可能介导HGT的发生，但对此一直缺乏系统而全面的分析。本研究基于二代测序技术和转录组分析，首先在两种泛寄主植物（根寄生植物埃及列当和茎寄生植物南方菟丝子）的转录组中进行系统地鉴定HGT方式起源的基因，估计HGT在这两种植物中的发生规模；其次明确寄生关系介导HGT发生的效果是否显著；最后结合功能注释，评估HGT对泛寄主植物适应性进化的影响。预期研究结果将为揭示高等植物核基因组之间HGT发生的分子机制提供重要的理论依据。

与自然突变相比,水平基因转移(HGT)可以快速地为受体生物提供新基因,对物种进化具有重要意义。目前认为HGT大多发生在原核和低等单细胞真核生物,对高等真核生物核基因组之间HGT发生规模和意义都认识很少。本项目首先对原开发的HGT批量筛选软件AlienG进行了优化，在原有基于相似性的基础上加入系统树的筛选，很大程度上降低了假阳性。使用此软件，我们主要对根寄生植物埃及列当和茎寄生植物南方菟丝子的转录组进行了分析，结合分子实验及多方证据，发现了多个HGT方式起源的基因：1）埃及列当和南方菟丝子分别独立获得了一个十字花科中新近起源的异胡豆苷合成酶类似基因，并在埃及列当中受到了明显的正选择，并在不同的发育组织中都有表达，尤其在营养生长阶段和吸器的组织中，表达量显著升高，提示其可能参与营养生长和吸器的形成。更为惊奇的是，在南方菟丝子中还表现出伤害诱导的响应。2）除了蛋白编码基因外，列当科两个最大的属Phelipanche和Orobanche的多个物种中都具有两个来自于十字花科的II型hAT转座子酶基因，结构域和系统发育分析显示列当科中的这两个hAT基因分别来自于两个亚家族。这是II型转座子在双子叶植物之间发生HGT的首次报道。但进一步的分子进化分析和转录模式表明该基因极大可能已经经历了“家养化”，演变为蛋白编码基因。3）除十字花科作为基因供体外，豆科的一个花青素酰基转移酶被发现转移到了菟丝子属中。功能预测和表达模式分析表明其可能参与菟丝子对生物和非生物胁迫的耐受响应，从而参与寄生植物的适应性进化。在这些基因中，转移后的异胡豆苷合成酶仍然保留有十字花科基因中的内含子，所以推测转移是发生在DNA水平，而不是RNA水平。由此推测这些HGT最初是发生在寄生植物与寄主的相互接触的吸器及其周围组织，经过组织的直接融合或者DNA大片段的转移和插入，之后发育成分生组织被传代下来；一旦这些基因对物种进化具有重要作用，就会在群体中被传播开来。