全寄生肉苁蓉属物种与宿主植物之间水平转移基因和microRNA的微进化机制

Horizontal gene transfer (HGT) between parasitic plants and their hosts has been one of hotspots of evolutionary biology. It can provide the new evidence on a large evolutionary time-scale for resolution of the core issue how transgenes evolve in natural condition, which remains largely unknown. Despite relatively high rate of horizontal transfer of transcripts in holoparasitic plants, it is lacking of micro-evolution mechanism for understanding unclear how many horizontally transferred entire encoding genes lay on the foundation of parasitism, which genes help parasitic plants to adapt different hosts and how do they evolve. In the present study, we select the representative system of holoparasitic taxa, the species of Cistanche, and their hosts to analyze the difference in the number, type, occurrence and variation patterns of the encoding genes undergone the horizontal transfer and the genes by employing approaches of gene cloning, RT-PCR, RNA-Seq, expression profiling and small-RNA-seq. Based on the data from multiple omics, the general characteristics, classification, functional differences and selection force of the horizontally transferred genes and microRNAs between host and parasitic plant will be uncovered. Finally, the basal laws of micro-evolution mechanism for the interaction between these transgenes and other genes and their effects on the adaptive evolution of parasitic plants will be concluded and summarized based on all of the evidence available.

寄生植物与宿主之间水平基因转移，能为理解自然条件下转基因是如何进化的，提供新的大时间尺度的进化证据，已成为进化生物学的热点研究领域。尽管已有研究表明全寄生植物有相对较高的转录本水平转移，但迄今为止，究竟发生水平转移的共有完整编码基因如何奠定了寄生习性的基础、哪些基因帮助寄生植物实现与不同宿主的相互适应以及它们是如何进化的，一直缺乏进化机制方面的深入了解。在已有研究基础上，本研究以典型的全寄生肉苁蓉属植物与其不同宿主作为对象，通过转录组、表达谱、小RNA测序等方法，结合系统发育基因组学分析，检测宿主-寄生植物间发生水平转移的编码基因和microRNA在数量、类别、发生方式和变异式样的差别。从多组学水平揭示它们的共同特征、归类、功能差异和选择驱动力，结合已获得的研究结果，系统地探讨受到选择的这些外源基因与其它基因相互作用微进化机制的基本法则、解析它们对寄生植物适应性进化的影响。

本课题在已有研究基础上，通过新一代测序方法，对全寄生肉苁蓉属植物与近缘类群及其不同宿主的基因组DNA、转录组、micro RNA等进行测序，结合系统发育基因组学分析，探讨了非光合近缘植物类群间在质体基因组、线粒体组演化上的差异，解析了发生水平转移（horizontal gene transfer, HGT）的编码基因与寄生习性形成的关联，以及不同类型基因在宿主-寄生植物联系形成的相互作用规律。1）首次发现肉苁蓉属不同物种质体基因组退化(丢失、假基因化)具有分支特异性的特点，并明确鉴定到通过细胞内转移到线粒体组和核基因组中质体来源序列，确定了丢失基因的去向；2）研究发现，相比各类群主要分支质体基因组受到不同程度功能退化的影响，它们的线粒体组核心基因几乎没有受到影响，这可能和全寄生植物异养生活不需要依赖光合作用，但它们的呼吸作用不可或缺有关；3）比较分析近缘类群的质体基因组和转录组中光合作用通路基因的表达情况，揭示了亲缘关系较近的物种适应非光合全寄生生活存在不同的演化策略；4) 线粒体组、转录组均检测出数量不等的HGTs, 揭示该属演化历史存在尚未被认识的过去宿主，支持全寄生植物现有专性寄生是由原来的兼性寄生类群进化而来；5）为数不多的共有编码基因的水平转移，提供了转移自宿主的关键基因取代了寄生植物原有的功能基因的证据，揭示了全寄生植物适应异养生活初期和各物种分化阶段至关重要的基因组变化。6）根部全寄生肉苁蓉属与近缘类群都发现寄生植物的microRNA通过在吸器富集表达，靶向宿主防御基因mRNA使其表达量下调, 这一点和茎部寄生的菟丝子属植物研究比较类似，但发生的基因种类和规模均存在差异，本研究还发现大量来自宿主的microRNA通过靶向吸器mRNA以抵御寄生植物的信号。本课题系统探讨受到选择的外源基因与其它基因相互作用微进化机制的基本法则，所获得的结论在同科不同近缘类群亦有类似发现，为进一步解析寄生植物的物种分化与适应不同宿主的演化过程奠定了分子基础、提供了详实的组学数据和研究方法的借鉴参考。