植物适应逆境中转录调控的分子进化机制

非生物胁迫（如干旱、盐碱、高温、寒冷等）是限制植物生长发育的主要因子，植物由于不能移动，在长期的逆境中演化出了一系列适应性机制。其中转录因子与顺式元件相互作用，调控基因表达起着关键作用。当前对植物适应环境中转录调控的认识主要体现在拟南芥、水稻等植物的基因功能和转录组研究，对其分子进化机制了解甚少。如转录因子以及顺式元件如何受到选择压力的改变而影响基因的表达和功能，以及近缘物种(如拟南芥等)抗逆转录调控的保守性和特异性是什么。本项目在已有基础上，利用拟南芥及其近缘种琴芥和盐芥为研究对象，深入剖析基因调控在植物适应环境中的共性与特性：比较同源基因在近缘种中的作用；了解编码区序列的差异及其影响；分析表达调控的作用与演化；确定关键基因功能的演化。本项目实施有望明确植物适应环境中转录调控关键基因和顺式元件的保守性与特异性，揭示植物适应环境的分子进化机制，为作物适应逆境的遗传改良提供理论基础。

植物不能移动而演化出了适应多种环境的复杂调控机制，其中转录调控极其重要，特别是转录因子与顺式元件相互作用，调控基因表达。表观遗传因子通过修饰DNA和组蛋白而影响基因表达。本项目内容包括利用拟南芥及其近缘种琴芥和盐芥，深入剖析基因调控在植物适应环境中的共性与特性；比较同源基因在不同植物中的作用；了解编码区序列的差异及影响；分析表达调控的作用与演化。根据项目的设计，我们顺利完成了各项内容，并在前期基础上，适当增加了相关内容。. 我们选择了包含模式植物拟南芥的十字花科研究调控基因家族的分子进化和表达模式，包括AP2，bZIP，bHLH，MYB，NAC，WRKY，MADS等家族，Rhomboid酶家族, 和SET甲基化酶家族等。 其中Rhomboid和SET基因家族研究工作已经分别发表在New Phytologist和BMC Evo Bio上。. 对拟南芥和盐芥的进行盐处理分析其转录组，拟南芥中47%的AP2被上调，盐芥中有30%，其次是MYB，WRKY，NAC，bZIP，它们大概有20%的基因在盐处理下发现显著性变化，而Rhomboid，SET和JmjC基因很少被上调。. 利用1218个可能与胁迫相关的顺式元件，对各个基因组分析，两个顺式元件在盐芥中比拟南芥中多。对前30个顺式元件进行分析，这些显著富集于胁迫相关基因上游，特别的是AP2和NAC中分别有16和17个基因富集这些顺式元件，其次是bZIP和WRKY。拟南芥AP2家族受盐诱导表达上调的前20个基因，与16个富集顺式元件的AP2基因比较，有7个基因重合，分别是CBF1/2/4，CRF6，ERF11，RAP2.6和ORA47。AP2在胁迫处理下被上调以及富集顺式元件，表明AP2家族可能在植物适应逆境中起着重要的作用。. 对bHLH家族中的DYT1与bHLH010/089/091四个基因进行了详细分析。序列分析显示091快速进化，可能与环境适应相关。突变体表型支持序列结果，010/089的缺陷表型要强于089/091，表明在三个基因中，010与089的功能可能更接近于祖先基因，而091则可能获得了新的调控功能，在环境适应方面有作用。. 另外，我们对被子植物系统关系进行了研究，相关工作发表在Nature Commun上。对等位基因的多态性方法进行了扩展，相关论文发表在PNAS。