特异响应冷胁迫的DREB1/CBF基因亚家族在陆生植物中的演化

Temperature is one of the major environmental factors affecting the geographic distribution of plant and crop yields. Low temperature is an abiotic stress to most plant species. Physiological and biochemical changes and their mechanisms of tolerance to cold stress of plants are always one of the key issues in plant biology research. Plants “rooted” on land from water before 400 million years ago in a relatively warmer environment, after then the terrestrial plant differentiated and spread around the world accompanied by several glacial-interglacial cycle and continental drift. DREB1/CBF gene subfamily is an important branch of plant-specific transcription factor family AP2/ERF. In Arabidopsis thaliana this gene subfamily specifically responses to cold stress and the DREB/CBF-mediated pathway is considered as one of the major signaling pathways involved in plant cold tolerance. Although some stress-induced DREB subfamily members have been isolated and characterised in several land plants, their origin and evolutionary pattern have not been understood from a phylogenetic view among terrestrial plants. The application here intends to use bioinformatics, molecular evolution and molecular biology approach to study the phylogeny, selection pressure, transactivation activity of DREB/CBF gene subfamily in land plants, aiming at reconstruction of the evolutionary history of the gene subfamily and infer their function in the adaptation to cold environment for terrestrial plants.

植物对冷胁迫的耐受制约着植物物种的分布格局和农作物产量，其在低温下生理生化的变化与机理是植物生物学长期受重视的研究领域之一。绿色植物登陆发生在较为温暖的气候环境下，此后地球经历多次冰期-间冰期交替的气候变迁，植物在演化过程中不断适应这些变化并逐步分化、扩散。DREB1/CBF基因亚家族是植物特有的AP2/ERF转录因子家族的重要分支，拟南芥中这一基因亚家族特异响应冷胁迫，并在冷胁迫响应过程中起着承上启下的核心调控位置。人们对该基因亚家族在陆生植物中的系统发育及起源分化并不了解。申请人在现生陆生植物的各个类群中均找到了潜在的DREB1/CBF基因序列，拟采用多种生物学方法，从基因序列、系统发育、选择压力，蛋白质功能以及在模式植物冷胁迫响应中的作用等多个方面对DREB1/CBF在陆生植物中的序列和功能分化进行深入研究，重构该基因亚家族在陆生植物中的演化历史，推测其在适应环境冷胁迫过程中的作用。

DREB1/CBF基因亚家族是植物特有的AP2/ERF转录因子家族的重要分支，拟南芥中这一基因亚家族特异响应冷胁迫，并在冷胁迫响应过程中起着承上启下的核心调控位置。然而，人们对该基因亚家族在陆生植物中的起源与分化却并不了解。.我们在已经完成了全基因组测序的43种陆生植物中，进行了系统的序列查找和筛选，共得到了873条DREB基因亚家族序列，结合3条水生藻类的外类群序列，构建了基因亚家族的系统发育树；综合分析显示，DREB亚家族可以进一步分为六个组，其中的四个组（I~IV）的分化最早出现在现存陆生植物的共同祖先中；而第Ⅵ组（包含专一响应冷胁迫的CBFs/ DREB1）的序列在DREB亚家族中是最后演化出来的类型，在藓类、石松类、裸子植物中均找不到对应序列，但是在基部被子植物无油樟和单子叶植物中已经存在，暗示了DREB1/CBFl类基因最早出现在现存被子植物的共同祖先中。.在AP2结构域上的标志性氨基酸和蛋白质全长上的保守元件分析结果显示，DREB亚家族的六个组均具有自己的特征氨基酸位点和特异的保守元件，而且越晚演化产生的蛋白质序列中，序列的特征元件就越多，这很可能代表了更加特化的生物学功能。.对第VI组（包含DREB1/CBF 类基因）的基因成员在8种代表植物中编码的蛋白质的转录激活活性进行定性和定量检测的结果显示，具有强的转录激活活性的序列并不聚成单系，但是与第IV和第V组相比，他们更倾向于集中在第VI组（包含DREB1/CBF）中，由此推测，DREB基因亚家族从第V组到第VI组的演化过程中，也就是在形成DREB1/CBF 类转录因子的过程中，其编码的蛋白质的转录激活活性有明显的增强趋势。.而对于DREB1/CBF 类转录因子起源之后，在局部植物类群中的基因拷贝数目的扩张和功能分化，生物信息学分析显示，至少在十字花科Cruciferae (Brassicaceae)中，这个过程很有可能收到了正选择作用的驱动。