木质素多聚体合成相关的LAC基因家族的进化研究

Lignin is generally considered as a key innovation in the course of plant evolution, but it is a controversial issue about which group of plants lignin originates in. Evolutionary study on the genes involving with lignin synthesis in plant is essential to shed more light on the evolution of this important process. LAC (Laccase) gene is the key gene involved in monolignol polymerization. In this project, we will obtain homologous sequences of LAC gene from representative species of different main lineages of green plants by use of available whole genome databases and cloning LAC homologs from some species. Based on phylogenetic analysis of these DNA or translated protein sequences, we hope to know the phylogenetic relationships among different lineage LAC genes and the evolutionary history of LAC gene family including gene duplications and their divergence time. Meanwhile, selective analysis (such as the value of dN/dS) will be conducted to explore whether natural selection is a driving force for the origin and divergence of LACs involving with the lignin polymerization. Through TblastN research, we find that LAC genes also exist in nonvascular Physcomitrella patens. Function of LAC genes from P. patens will be analyzed both at the express level and protein biochemical characterizations. These results will provide evidence for the origin of Bona Fide LACs and the formation of lignin in plants. Also it will improve our understanding on the origin and evolution of vascular plants.

木质素是植物进化过程中的一个创新性性状，它在维管植物的形态分化和适应陆生环境中起到了重要作用。然而，关于木质素起源于哪类植物一直存在争论。对木质素合成途径基因的进化研究有助于阐明木质素的起源与进化。LAC（Laccase）基因是木质素多聚体生物合成的关键基因。本项目将借助生物信息学和分子生物学手段，从不同的植物类群中获得LAC基因家族的同源序列；利用MEGA、PhyML、BEAST和PAML等系统发育和进化分析软件，对LAC基因家族进行深入的分子进化分析，探讨该家族的起源、进化历史和进化动力；由于前期同源序列搜索发现在非维管植物小立碗藓中也存在多个LAC同源基因，我们将研究其表达式样及其编码蛋白的生化功能，探讨LAC基因的功能起源与分化。项目的预期结果不仅对揭示木质素及木质素合成途径的起源和进化提供科学依据，而且对于阐明早期陆生植物起源与适应陆生环境的原因和机制具有重要意义。

木质素主要存在于维管植物的次生壁中，它对于维管植物的形态分化和适应陆生环境起了重要作用。但也有研究认为木质素可能起源于其它植物类群。本项目通过预期对木质素多聚体生物合成的关键基因进行进化研究，以期更好的了解木质素及木质素合成途径的起源和进化。我们通过分析表明植物中的与木质素合成相关的LAC基因可以分为8个亚家族，其中七个亚家族在被子植物的共同祖先中就已经产生了，而小立碗藓中的LAC并不能归入到其中的任何一个亚家族。即小立碗藓的基因组中并没有与木质素合成密切相关的LAC4和LAC17的直系同源基因。分子进化分析也没有检测到正选择位点，但是dN/dS分析，基因结构分析和表达分析表明不同亚家族发生了功能分化同时也存在功能的冗余。本研究为LAC基因的功能研究提供了系统发育框架，为探讨木质素和木质素合成途径的起源提供了一定研究基础。