保守型植物抗病基因——XTNX类基因的起源及演化研究

Many studies on plant disease resistance genes (R genes) have revealed their characteristics of fast evolution and complicated variation; whereas long-term evolutionarily conserved R genes have rarely been described. Recently, a group of R gene termed XTNX has been described conserved in many angiosperms genomes, as well as the Physcomitrella patens genome, indicating it’s a group of conserved R genes that originated anciently in plant. Currently, many aspects, including origin time, evolutionary pattern and function have not been well resolved for XTNX genes. Here, a systematic research was proposed for comprehensive study of XTNX genes by using both bioinformatics and molecular experimental approaches. Firstly, the presence of XTNX gene in all major lineages of the plant kingdom will be surveyed to trace its origination; then the evolutionary pattern of these genes will be investigated in detail with a serious of genetic analyses; finally the function difference among XTNX sub-lineages will be determined. We believe that this plan will extend our understanding on the evolution and function of different classes of R genes, and help us properly discovery and utilize of R genes with the guide of evolutionary patterns.

近年来对植物抗病基因（R基因）的大量研究表明，绝大多数R基因在植物演化过程中快速演化，而在较长的演化尺度上保守存在的R基因则鲜见报道。近期研究发现，拟南芥XTNX基因编码的蛋白具有识别多种病原的能力，并且其同源序列存在于小立碗藓和多个被子植物基因组中，提示该类基因可能是一类古老起源的新型保守R基因。然而，目前仅在藓类和被子植物两个类群中对XTNX基因进行了研究，对其起源和演化等多个方面的认识还不够深入。针对这些问题，本项目拟结合生物信息学和分子生物学手段，对覆盖植物各主要演化类群的代表性物种中XTNX基因的存在情况展开调查，揭示该类基因的起源；利用多种演化参数进行分析，解析其在整个植物类群中的演化模式及其两个亚类的形成机制；最后通过实验来探讨拟南芥中该类基因两个亚类的功能关系。本项目不仅能加深对不同类型植物抗病基因演化模式和功能多样性的认识，还有助于基于演化规律对新型抗病基因的发掘和利用。

NBS-LRR基因是植物最大的一类抗病基因，之前的研究表明，大多数NBS-LRR基因呈现出物种特异性丢失及扩张的快速演化特征。本研究针对一类具有非典型NBS结构域的基因——XTNX基因进行了系统研究，发现其与传统NBS-LRR基因不同，是一类古老起源并保守演化的抗病基因类型。通过对59个涵盖绿色植物演化关键分支（包括藻类、苔藓、裸子植物和被子植物的各个分支）的植物进行XTNX基因的全面调查，发现调查的7个绿藻基因组中均不存在XTNX基因，而在陆地植物苔类和藓类分支中均鉴定出XTNX基因，提示该类基因可能在陆地植物登陆后起源，是一类古老的抗病基因；通过对其进行系统演化树分析，发现XTNX基因经历了两次古老的复制，一次发生在种子植物的共同祖先，导致XTNX基因分成两个分支：Clade I和Clade II，另一次发生在单、双子叶植物共同祖先，使得Clade II进一步分化成Clade IIa和Clade IIb；其中处于Clade I和Clade IIb的XTNX基因在单、双子叶植物中保守演化（大部分物种中仅含有一个拷贝），motif分析发现，Clade I和Clade IIb两个分支的序列差异是通过各自获得新的motifs造成的，提示两个分支可能发生了功能分化。另外，处于Clade IIa的XTNX基因仅在部分单子叶植物和一个双子叶植物基部物种（洛矶山耧斗菜）中存在，结合该分支的枝长较长，频繁的motif丢失，以及在单子叶植物（以玉米为例）各组织中均不表达等特点，暗示该分支的XTNX基因可能经历了假基因化。为了检测在大多数被子植物中保存的Clade I和Clade IIb分支基因可能存在的功能差异，我们将拟南芥分属于Clade I和Clade IIb的两个XTNX基因——At5G56220（AtTN21）和At4G23440（AtTN17）分别在在烟草叶片进行瞬时表达，结果显示At5G56220基因瞬时表达诱发了强烈的HR反应，而At4G23440基因瞬时表达未诱导产生明显的表型。对两个基因瞬时表达后的烟草叶片进行转录组测序发现，两者诱导的差异表达基因存在明显不同，进一步说明了两类基因发生了功能分化。该研究揭示了XTNX基因的古老起源、保守的演化模式及不同分支XTNX基因的功能分化，拓展了对植物抗病基因演化的认识。