水平基因转移参与小立碗藓耐旱的功能研究

Horizontal gene transfer (HGT) refers to the movement of genetic information between distinct species. By transferring new genes to recipient organisms, HGT may allow recipients to explore new resources and niches. The model plant Physcomitrella patens is an extant basal land plant, and its mechanisms of adaptation to drought remain puzzling. Previous preliminary work from our research team suggests that many genes in Physcomitrella patens genome are derived from bacteria, fungi, and viruses, which are involved in many important biological processes of land plants..The goal of the proposed research is to understand whether and how HGT is involved in plant response or adaptation to drought and tolerance to desiccation. Specifically, we have already identified 5 HGT-derived genes in P. patens that are responsive to drought treatments. We will investigate if these genes are indeed involved in desiccation tolerance in P. patens, using approaches of molecular genetics and cell biology.

水平基因转移(Horizontal Gene Transfer, HGT)不同于常规由亲代到子代的垂直基因传递，而是指能跨越种间隔离，在亲缘关系或远或近的生物有机体间进行的遗传信息转移。HGT能使受体生物快速获得新基因，从而增强其开拓新资源与生态位的能力。.对于绿色植物来说，生存环境从水生到陆生的转变是一种巨大挑战。模式植物小立碗藓Physcomitrella patens属于水生到陆生的过渡植物类群，其对干旱环境的适应机制令人费解。HGT是否参与小立碗藓干旱响应或适应过程也因此备受关注。.申请人所在课题组前期生物信息学分析发现，小立碗藓基因组中存在很多从细菌或真菌水平转移来的基因，并且参与了很多生物学过程。本项目拟从更为直接的基因功能角度，利用分子遗传学技术，探讨小立碗藓HGT基因与干旱的关系。目前，申请人已从转录水平和遗传学水平初步证明了至少5个HGT基因参与小立碗藓干旱响应过程。

本项目选取植物登陆这一宏观进化背景，研究水平基因转移（横向遗传）对早期陆生植物适应干旱过程的作用机制。主要针对早期陆生植物模式生物小立碗藓中3个水平转移基因家族的5个基因成员开展分子遗传学相关的基因功能研究。早期陆生植物形态结构相对简单，却具有极强的环境适应能力。物种特有基因往往对于物种适应特殊环境具有重要的作用。然而对于这些基因的起源及其功能机制等方面的研究却相对欠缺。.. 研究发现，小立碗藓hemerythrin基因起源于真菌向早期陆生植物的水平基因转移事件。Hemerythrin基因在小立碗藓中通过改变蛋白编码顺序(shifting of reading frames)演化出一个新双编码基因（dual-coding gene）YAN/AltYAN。分子遗传学及生理生化证据表明，YAN/AltYAN通过参与小立碗藓脂肪酸、油体、蜡质结晶等脂类代谢过程，介导了小立碗藓的脱水耐受生物学过程。令人惊奇的是，现有的证据显示hemerythrin也极可能同样参与到植物油体形成与抗干旱过程。.. 另外两个基因家族的功能也有了初步的进展，PpAIM基因参与小立碗藓假根发育，PpLEA基因家族影响小立碗藓原丝体发育。.. 因此本项目为认识水平基因转移在早期陆生植物适应干旱环境中的作用提供了关键的实验证据及理论基础。