胡杨抗逆HKT基因重复和功能分化研究

It has become a hotspot to study gene duplication and related functional divergence. In most arid-tolerant species with genomes sequences, the genes accounting for such survivals were found to be duplicated, indicating that such gene duplications contributed greatly to such arid tolerances and survivals. HKT genes play an important role in the salt-tolerant plants. In the salt-tolerant Populus euphratica, four copies were found while only one in the salt-sensitive species. In this project, we aim to examine how four copies of Populus euphratica originated and whether their functions have diverged. First, we will examine copy number variations of this type of genes at the population level and determine the origin time of each copy. Then, we will compare orthologus and paralogous divergences of these HKT genes between and within species, and examine the sequence divergences and selection pressures of the duplicated genes. Finally, we will examine functional divergences in time and tissue of four genes in details through spatial and timely gene expressions, biochemical functions, and transgenic manipulations. All these results will clarify the key roles of the HKT gene duplications and select the most effective one during the arid tolerances.

基因重复和相关的功能分化研究是生物学研究中的前沿领域。多数抗逆物种均发现抗逆相关基因的拷贝数量增加，说明物种抗逆性状的形成与基因重复密切相关。HKT类基因在抗盐中具有重要作用；在抗盐胡杨中，该类基因从非抗盐的毛果杨中的一个基因增加到了4个。本项目以胡杨的4个HKT基因为对象，开展如下研究：(1)通过不同物种群体水平上的比较，研究胡杨HKT基因拷贝数量的变异及其起源时间；（2）通过比较种间和种内直系和非直系HKT基因序列的分化，研究该基因重复后发生的序列变异和选择压力；（3）通过对胡杨4个HKT基因拷贝的时空表达、生化功能和转基因比较，确定基因重复后的剂量、时空和功能分化；（4）通过上述比较和研究，阐明探讨HKT基因重复在树木抗逆中的关键作用，并从胡杨中筛选抗逆效率最高的HKT基因。

基因重复及其功能分化是当前生物学研究领域的前沿领域，植物抗盐机理是研究热点之一。HKTs广泛存在于植物中，在植物抗盐响应中具有重要功能。本项目通过研究胡杨HKT基因的重复进化历史，利用转基因功能验证等手段，探究了胡杨HKT基因功能分化，及其在胡杨盐胁迫响应中的作用机制。.⑴ 杨属HKT 基因进化模式多样，在经历基因组加倍后，经历了不同的进化模式。胡杨派杨树，保留了2个以上HKT拷贝，而其它杨树中，HKT重复后假基因化或表达沉默，杨属中HKT这种多样化的进化模式可能和其抗盐能力有关；⑵ 胡杨HKT发生了功能分化。A,表达模式分化。正常条件下，PeuHKT1;1主要在根部表达，而PeuHKT1;2，PeuHKT1;3在叶中表达，且PeuHKT1;2的表达量较低。盐处理后，仅PeuHKT1;3在韧皮部中表达显著上调； B, 生化功能分化。酵母异源表达发现，PeuHKT1;1对Na+亲和性显著高于PtrHKT1;1。而PeuHKT1;1和PeuHKT1;3的Na+亲和性随K+浓度不同。⑶ 杨树HKT回补拟南芥（hkt）发现，PeuHKT1;3对Na+的亲和性最强，PeuHKT1;1次之，PtrHKT1;1最弱；新疆杨中，PeuHKT1;3pro:PeuHKT1;3的表达可以显著增强其耐盐能力。⑷ PeuHKT1;1第33和263位氨基酸和Na+亲和性有关。酵母异源表达发现，（N33I）和(P263S) 点突变后，会降低HKT对Na+的亲和性。⑸ PeuHKT1;3的一个可变剪切PeuHKT1;3-，可提高对K+的转运能力。总之，基本完成了项目计划的主要内容。研究结果为研究HKT基因参与杨树物种逆境适应分化提供重要参考。