交替氧化酶基因家族不同成员在胡杨和灰杨物种分化过程中的选择性压力比较和功能验证

Gene duplication is considered a central driving force in the evolution of genetic novelty in plants. It can lead to functional divergence, morphology diversity, and speciation to allow organisms adapt to changing environments. Therefore, it is becoming either hot topic or key issues in the research field of biology evolution. In this planning, we will sample 60 individuals from 12 populations covering the entire geographic range of the closely related poplar species namely the Euphrates poplar (Populus euphratica) and the desert poplar (P. pruinosa). We intend to investigate the variation of allele frequency, rate of evolution, and to examine selective constraint among duplication gene members of AOX (alternative oxidase) gene family in the process of the two species differentiation. We then carry out identifying the expression pattern of the duplicated genes in tissues and being confirmed by transgenic methods. Those analyses can therefore be used to infer evolution history of gene duplication and selection events suffered in speciation or species diversification. Those results will help better understand the genetic differences between closely related species, and stimulate additional studies on the mechanisms that underlie speciation and biodiversification.

基因重复是植物基因组和遗传系统多样性的重要推动力量。但是，基因发生重复后, 重复子拷贝基因如何保留，在表达式样和进化速率上如何变化，一直是进化生物学研究领域的热点和难点问题之一。近缘物种间进化比较和种内群体遗传学相结合的方法，更准确地反映重复基因的进化历史及在物种分化中的作用。项目选择两个近缘物种胡杨（Populus. euphratica）和灰杨（P. pruinosa）12个代表性自然群体，60个个体，结合分子生物学和群体遗传学研究手段，比较交替氧化酶（alternative oxidase，AOX）基因家族成员在群体中种内/种间等位基因频率,进化速率以及选择压力的差异；分析重复基因的时空表达式样，并经转基因功能验证，阐述该基因家族各重复基因的进化历史，以及功能分化在两个近缘物种分化过程中的意义。研究将为深入研究近缘种重复基因进化异同、探讨物种分化和生物多样性形成的机制等提供重要参考。

重复基因的功能分化为物种进化提供了重要的遗传基础。比较旁系同源及因之间，基因近缘物种间直系同源基因之间的遗传分化，为研究重复基因表达模式和功能分化的分子机理提供了重要基础。本项目通过研究抗盐模式树种胡杨及其近缘种灰杨AOX基因的进化历史；在群体水平上，分别比较了AOX基因家族旁系同源基因在不同居群之间，直系同源基因在物种间同域分布区、非同域分布区居群之间的遗传分化；分析了AOX重复基因的功能分化和时空表达模式。结果发现，在双子叶植物中，杨属植物胡杨和灰杨中AOX2基因发生了选择性丢失，仅保留了由4个重复基因组成的AOX1基因家族；群体遗传分化检测结果发现，灰杨群体的遗传多态性显著高于胡杨。两个物种中，AOX基因上游调控区遗传分化显著大于编码区，存在较多物种特异性、不同基因频率的SNP位点。Ka/Ks分析表明胡杨中AOX1a具有较快的进化速率，经历了适应性进化，对于两种杨树分化后适应荒漠环境胁迫具有重要作用；表达模式分析发现，在NaCl处理下，两个物种中AOX基因表达同步上调，和叶片抗氰呼吸启动速率结果一致，即两个物种对盐胁迫的响应没有显著差异。但是在栅锈病（Melampsora pruinosae）侵染时，胡杨AOX1a基因在侵染早期表达显著上调，其抗氰呼吸也被强烈诱导，而灰杨中AOX1b基因则显著上调。综上所述，两个近缘杨树间存在基因流，AOX调控区显著的遗传分化，有利于两种杨树适应不同的环境胁迫。研究结果有助于了解近缘物种分化的遗传基础，对于研究近缘物种分化及生物多样性形成机制具有重要的参考价值。