被子植物NBS-LRR基因型抗病基因的演化研究

NBS-LRR genes are one of the most important gene families that confer resistance against diseases in plants. They encode proteins that recognize avirulent factors released by invading pathogens, and activate downstream resistance reactions to protect the plants. There are numerous pathogens in the natural world, yet the plants have evolved correspondingly various resistance genes to fight against them. The key questions are: How have the NBS-LRR genes been evolving? By which specific genetic mechanisms can they develop such functional variety and sophisticated transition between resistance and susceptibility? However, these questions remain poorly known. Here, we propose a research plan to study the evolutionary patterns and reconstruct the history of the NBS-LRR gene family using both bioinformatic and molecular experimental approaches, and further investigate the genetic and mutational mechanisms. Our research aims at angiosperm species, which include most agricultural and economic crops. We believe that this plan will profoundly increase our knowledge on the evolution of the NBS-LRR genes at both sequence and function level, providing theoretical basis for the protection of resistant plant resources. Meanwhile, our research will improve the efficiency of functional characterization of plant resistance genes by offering valuable evolutionary clues, and eventually quicken the pace for the practical application of resistance genes in agriculture.

NBS-LRR基因是植物中最重要的一类抗病基因，其蛋白能识别入侵病原释放的非毒性因子，激发自身防御反应，起到保护植物体的作用。自然界的病原不计其数，而抗病基因也能相应地演化出多种多样的抗性来对抗病原。关键的问题是：该基因家族经历了什么的演化过程？它们如何通过其特殊的分子遗传变异机制演化出多样化的抗性功能和实现精确的感抗转变？这些重要的科学问题还很少为人们所了解。本研究采用生物信息学和分子实验相结合的办法，针对重要的农作物和经济作物集中的被子植物，提出从分子水平研究这类庞大的基因家族的演化历史和特征，探索遗传变异的规律；不仅加深对这类基因序列和功能演化的认识，为抗病资源的保护提供理论基础；也为具体的抗性功能鉴定提供演化上的线索，提高功能研究的效率，加速这类抗病基因在农业生产上开发应用。

抗病基因是植物为了抵御病原的入侵，在长期的适应过程中演化出来的一类功能特殊的基因。NBS-LRR基因是抗病基因中最重要、最庞大的一个家族，在植物基因组中往往有数百个成员。这类基因可识别病原释放的效应因子，激活下游超敏反应，抵御病原害的入侵。但是NBS-LRR基因在被子植物中演化扩张的过程并不为人所了解。本项目通过全基因组水平的搜索将22个被子植物基因组中的6000余个NBS-LRR基因进行鉴定，并重建这些基因的系统演化树；并以此为基础来构建了这类抗病基因在被子植物中演化的主要框架，还原其演化历史；并将这类基因在不同植物类群和历史时期的变化进行整体的分析，最终从整个被子植物的水平上对这个庞大的基因家族的遗传变异的演化过程及机制做出解释。.本研究首先在科级水平上——如豆科、十字花科和茄科，对这些类群中的NBS-LRR基因进行鉴定，通过分子进化树、基因定位和共线性分析来推测基因的扩张机制以及祖先基因的数量；而后将这些类群以及其他关键节点上物种相联系，将分析逐步推向更高的分类阶元，如豆科和十字花科各代表了蔷薇分支两个类群豆类植物和锦葵类植物，加上基部的葡萄，可以把分析范围扩大到蔷薇分支，再与菊分支中的数据相结合就可以在整个双子叶植物尺度上进行分析；最终在整个被子植物的水平完成分析。.研究对于NBS-LRR基因的成员进行了系统的梳理：首先，证实RPW8-NBS-LRR这类“伪CC-NBS-LRR”的演化地位与CC-NBS-LRR基因同等，两者无从属关系。其次，CC-NBS-LRR基因序列多样性高的主要原因在于其在被子植物起源初期的祖先基因数量（14个）多于TIR-NBS-LRR（7个）和RPW8-NBS-LRR（2个）的祖先基因，并且CC-NBS-LRR的祖先基因比其它两类基因更早地开始扩张，而TIR-NBS-LRR早期未扩张，方便其整体丢失。第三，NBS-LRR基因的扩张并非均速，以白垩纪晚期至古新世初期为界，分成前后两个时间段，在后期的扩张程度大于前期，全基因组复制事件及病原性真菌的爆发可能导致了NBS-LRR基因后期的大幅扩张。最后，在不同的植物类群、物种中，NBS-LRR基因的数量几乎都是不相同的，这样的差异来源于类群/物种特异性的复制丢失事件。.总结来说，本项目通过重建NBS-LRR基因在被子植物中的演化历史框架为人们更好地理解植物与病原的相互作用提供了依据。