拟南芥及近缘种谷胱甘肽转移酶基因家族的分子进化和功能分化研究

Understanding of the evolutionary dynamics and functional diversity of plant supergene family is an important evolutionary issue. In this study, we will focus on glutathione S-transferase (GST) gene family in Arabidopsis thaliana and its closely related species Arabidopsis lyrata and Capsella rubella. GSTs play important roles in stress tolerance and detoxification metabolism in plants. Firstly, we will investigate the genomic organization and copy number variations of GST gene family in A. thaliana and its closely related species. Secondly, the molecular evolutionary characteristic of GST gene family in three plant species will be examined by phylogenetic analysis, PAML and FITMODEL software analysis. Thirdly, the gene expression patterns of GST gene family under normal growth conditions and stress will be investigated using real-time RT-PCR. Finally, the enzymatic functions of GST proteins from the three plant species will be characterized in detail. By integrating phylogeny, expression, substrate specificity, and enzyme kinetic data, this study will shed light on evolution and functional divergence of glutathione S-transferase gene family in Arabidopsis thaliana and its closely related species.

植物大基因家族的形成，以及家族内成员间功能分化的机制一直是进化基因组学所关注的核心科学问题。本课题选取完成全基因组测序的拟南芥及其近缘物种琴叶拟南芥、荠菜为研究对象，以重要功能基因家族- - 谷胱甘肽转移酶（GST）基因家族为例，通过基因组学、分子系统学、分子生物学和生物化学等研究手段，从分子进化、基因表达、蛋白质结构与功能层面上研究GST基因家族的分子进化特征、基因表达和功能分化的模式及其分子机制，从而逐步揭示重复基因的保留机制、以及大基因家族形成的一般规律。

基因重复是生物进化的主要推动力。对基因重复的产生及保留机制，以及大型基因家族形成规律的研究一直是进化生物学领域关注的核心问题之一。在本项目中，我们以大型基因家族谷胱甘肽转移酶(GST)为研究对象，从已完成基因组测序的近缘物种拟南芥（Arabidopsis thaliana）、琴叶拟南芥（Arabidopsis lyrata）和芥菜（Capsella rubella）中共鉴定获得164个GST基因。我们研究了这164个GST基因的基因结构、系统发育关系、基因组分布、基因表达模式和酶底物特异性。发现GST基因家族在三个近缘物种分化之后各自都经历了一系列独立的基因重复和基因丢失事件，近缘物种间的进化样式已经发生了一定变化。保留下来的直系和旁系同源组在表达模式、蛋白质底物特异性和酶活性上发生了不同层次的功能分化。研究成果对揭示大型酶基因家族在近缘物种间的功能进化规律具有重要的理论意义。