杨属Na+/H+ 逆向转运蛋白基因家族抗盐适应性的进化机制

The resistant ability of organisms often exhibit adaptive phenotypic differences resulting from natural selection and evolutionary forces in different environments. Patterns of DNA variation are often used to identify the evolutionary forces shaping species genetic structure. Some basic tools for obtaining the key genes of life is through multi-species comparisons and surveys of DNA sequences variability in closed related species which distributed in different enviroments. In this project, we aim to analyze DNA nucleotide polymorphisms (SNPs) of the Na+/H+ antiporter gene family between Populus euphratica and the other 28 different Populus species based on diverse methods of population genetics and bioinformatics, and the 26 nuclear loci will be selected as the control comparison. to investigate: (1) Are linkage disequillibrium and recombination in each gene similar in their variation and evolution? Are the genetic variations consistent with those marked by the other control genes; (2) Patterns of molecular evolution and variation of these resistant genes? (3) Whether these genes function changed according to gene variation? These results undoubtedly will be vital to understand salt-resistant mechanisms of Populus and the other plants, and also to utilize these genes in the future.

生物的抗逆性是生物在长期的进化和演变过程中对环境形成的适应能力。通过基因数据进行种间的垂直进化、水平演化过程的研究，不仅可以揭示生物抗逆网络途径中起关键作用的基因，也可以寻找关键基因中受自然选择最为强烈的作用位点。本项目在我们研究胡杨Na+/H+ 逆向转运蛋白基因家族DNA序列碱基多态性的遗传变异(SNPs)的基础上，以其它28种杨属树种为对象，以非抗性的26套核基因的遗传变异作为对照，研究Na+/H+ 逆向转运蛋白基因家族SNPs，通过各种分子生物信息学方法：(1)分析这些抗盐基因的DNA变异在种间的线性关系，它们与其它基因揭示的遗传分化有何区别与一致性？(2)比较每个基因之内的连锁不平衡、重组以及基因之间是否具有相似的进化趋势？（3）研究基因序列上检测到的变异如何影响相应的功能变化？上述结果对于进一步理解杨树抗盐机制的分子基础具有重要科学意义，也将为如何利用抗逆基因提供科学依据。

在2014-2017年，项目选择分布在不同环境和具有不同成种历史的30种杨属树种作为研究对象，对Na+/H+ 逆向转运蛋白基因的SNPs结构和分子进化进行比较研究。结果表明：白杨组的NHX5基因和胡杨组的SOS1基因能够检测到正选择信号。通过中性检验方法对胡杨和灰杨种群进行研究，对所有群体遗传分化式样以16套参照基因研究作为对照，胡杨和灰杨的Na+/H+逆向转运蛋白家族基因普遍经历了适应性进化；此外，在研究过程中发现胡杨组的胡杨树种中存在SOS1基因重复现象，将重复基因命名为PeSOS1.2，通过功能互补实验发现，胡杨的PeSOS1.2基因能够显著恢复缺陷型大肠杆菌EP432（EcNhaA和EcNhaB均缺失）菌株对高盐的敏感性，说明PeSOS1.2基因存在着抗盐功能，尚未假基因化；胡杨PeNhaD2基因由于长期的平衡选择（balancing selection）造成的两种独特的单倍型中，其中NX（宁夏）型为古老单倍型，同其它28种近缘的杨属树种间的遗传变异分析发现，只有JB（靖边）型在分支模型中能检测到明显的正选择现象。上述研究结果将有助于了解由于少数关键基因的变异具有较大影响或更复杂的遗传变异，以及它们适应极端环境的特性，对于进一步理解植物抗盐机制和分子基础都具有重要科学意义，也将为如何利用抗逆基因提供科学依据。