锁阳与寄主白刺线粒体基因水平转移及协同进化机制研究

Horizontal gene transfer (HGT) is the transfer of genes between non-mating species, HGT between higher plants is a new discovered mechanism of plant evolution. Parasitism is an important way for HGT between plants. Cynomorium songaricum Rupr. is an important traditional chinese and mongolian medicine in west China, it is a perennial holoparasitic plant, its host Nitraria tangutorum Bobr. has the important ecological function of sand fixing in desert area. This program is on the basis of previous discovered mitochondrial gene atp1 and cox1 HGT between Cynomorium songaricum Rupr. and Nitraria tangutorum Bobr.,the aim of this program is to research HGT phenomenon between 2 species of Cynomorium and Nitraria tangutorum Bobr., search and verify HGT fragment in mitochondrial genome, study the function of HGT fragment and mechanism of how the HGT fragment transferred, estimate the time of HGT beteen Cynomorium songaricum Rupr.and Nitraria tangutorum Bobr.and the divergence time of Nitraria related plants to reveal the coevolution history of 2 species of Cynomorium and Nitraria tangutorum Bobr. related sapindales plants, explore the host change history of Cynomorium songaricum Rupr. This program will further reveal the HGT mechanism of higher plants and the coevolution histoty of Cynomorium songaricum Rupr.and Nitraria tangutorum Bobr., explore the host change history of Cynomorium songaricum Rupr., provide theory basis to find more potential host for Cynomorium songaricum Rupr. and promote sustainable use of Cynomorium songaricum Rupr.resources.

水平基因转移是指在生殖隔离物种之间的基因传递现象，高等植物之间的水平基因转移是近年来新发现的植物进化方式，而植物的寄生关系是实现高等植物水平基因转移的重要途径。锁阳是重要的中药和蒙药，为多年生全寄生植物，其寄主白刺防风固沙作用显著。本项目从已经发现的锁阳和白刺之间线粒体基因atp1和cox1的水平转移现象入手，拟研究锁阳属2种植物与白刺之间线粒体基因的水平转移现象，寻找并验证发生水平基因转移的片段，研究水平基因转移片段的功能及转移方式。估算锁阳和白刺水平基因转移发生的时间、白刺及白刺属近缘植物的分化时间，从而推断出锁阳属2种植物和白刺及白刺近缘无患子目的植物协同进化历程，分析锁阳寄主的演化及更替。本项目的实施将进一步揭示高等植物间水平基因转移的机理，丰富水平基因转移理论。探索锁阳和白刺协同进化的历程和锁阳寄主的演化及更替，将为发掘锁阳潜在的寄主提供理论依据，有助于锁阳资源的可持续利用。

水平基因转移是指在生殖隔离物种之间的基因传递现象，高等植物之间的水平基因转移是近年来新发现的植物进化方式，而植物的寄生关系是实现高等植物水平基因转移的重要途径。锁阳是重要的中药和蒙药，为多年生全寄生植物，其寄主为无患子目植物白刺。本项目对锁阳线粒体基因的水平转移现象和水平基因转移机理进行了研究。项目组使用线粒体基因克隆测序的方法以及转录组数据拼接的方法获得锁阳线粒体基因序列，对得到的锁阳线粒体基因序列进行系统发育分析。发现锁阳除了与寄主植物白刺所属的无患子目植物外、还与石竹目和杜鹃花目植物之间在多个基因上存在着水平基因转移现象。使用扩增子测序的方法，发现锁阳不定根际富集的真菌多属于接合菌门（Zygomycota）和子囊菌门（Ascomycota）。通过锁阳cox1基因内含子的生物信息学分析，锁阳生境中的真菌可能作为水平基因转移的载体。通过对锁阳转录组进行分析，发现锁阳cox1基因内含子可以独立转录mRNA。由于与根际真菌相似位点连续分布的区域位于内含子可转录的区域，所以RNA可能是该基因序列转移的媒介。本项目发现锁阳的多个线粒体基因存在着水平基因转移现象，部分来源于寄主所属的分类单元，进一步确定了寄生关系在水平基因转移中的重要作用。根据发生水平转移不同基因的序列特征，显示出水平基因转移可能涉及多种转移机制，而且这些转移可能在漫长的进化过程中多次发生，揭示了水平基因转移机理的多样性和复杂性。发现真菌可能作为水平基因转移现象的载体，这也可能是高等植物间水平基因转移现象广泛存在的机制之一，该发现丰富了现有的水平基因转移理论。发现锁阳与无患子目、石竹目和杜鹃花目植物之间存在着水平基因转移现象，说明无患子目、石竹目和杜鹃花目植物可能作为锁阳潜在的寄主，该发现有利于拓宽锁阳现有的寄主范围，从而有助于锁阳资源的可持续利用。