植物抗病適應性進化的分子機制

《植物抗病適應性進化的分子機制》是依託南京大學，由陳建群擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：植物抗病適應性進化的分子機制
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：陳建群
• 依託單位：南京大學

項目摘要

植物的抗病適應性是植物與病原體長期相互作用的的結果，在植物的進化過程中扮演著十分重要的角色。本研究利用進化基因組學的方法，比較植物進化各關鍵節點的基因組，從整體上探索植物抗病適應性相關基因類群的起源與進化，並利用分子生物學技術驗證植物抗病基因的起源與擴張方式，系統闡明植物抗病基因的遺傳與進化規律；並利用這些規律，以水稻抗稻瘟病基因為代表，通過人工模擬進化的方式，快速重現植物抗病適應性進化的過程，系統研究植物抗病性的變化規律、抗病性與適應代價的關係、抗病適應性與持久抗性的關係、以及近等基因混合系與植物持久抗性的關係，揭示植物抗病適應性進化的分子機制。並通過人工模擬進化技術平台的建立與完善，為植物抗病適應性的深入研究和利用奠定基礎；因此，該研究不僅有助於完善人們對生物進化過程和機制的認識，同時也為植物抗病基因資源的保護、合理開發和高效利用奠定理論基礎。

結題摘要

植物的抗病適應性是植物與病原體長期相互作用的結果，在植物的進化過程中扮演著十分重要的角色。本研究首先選擇了植物重要進化節點上38個物種的基因組，以全基因組水平分析比較的方法，從整體上探索與植物抗病適應性相關的NBS-LRR、LRR-RLK等基因的起源與分子進化歷史，分別將這兩類重要的抗病基因的起源推定到植物登入初期和水生綠藻分化之前的時間；與動物天然免疫系統基因的比較發現，動、植物天然免疫系統的受體基因雖然在蛋白結構、識別方式以及下游信號傳導上都具有驚人的相似性，但在進化上各自獨立，展示了趨同進化的現象；其次，利用分子生物學技術驗證NBS-LRR基因的起源，從陸地植物最早分支的苔類和蘚類植物中擴增得到已經融合的NBS-LRR基因，證實了這類基因的起源節點不晚於植物登入初期；在苔蘚植物中發現的兩種新型NBS-LRR基因類型（PK-NBS-LRR和Hydro-NBS-LRR），顯示了NBS-LRR基因在不同植物類群中的多樣性，且這兩類基因在進化上顯示出與TIR-NBS-LRR類更近緣的關係；隨後以雙子葉植物豆科、十字花科及單子葉植物水稻為研究對象，系統闡明植物抗病基因的遺傳與進化規律——相比於一般基因，植物抗病基因具有更多地複製和丟失、更快的進化速率和更頻繁的重組；在同一基因位點、甚至同一基因不同個體間表現出功能性與非功能性（如假基因化等）之間快速更替的現象，充分體現植物在抗病性與抗病適應性代價之間的高效協調機制；同時也體現了抗病基因通過多途徑快速演化來應對植物病原的快速變異。最後，利用植物抗病基因適應性演化的基本規律，以水稻抗稻瘟病基因為代表，通過人工模擬進化的方式，快速重現了植物抗病適應性進化的過程，並系統觀測到了植物抗病基因的失活與復活更替過程。發現在一定的適應度之內，植物可以高效的利用抗病基因自身的多樣性與單一抗病基因抗譜多樣性（含功能冗餘性）的組合方式，實現植物廣譜高效、經濟的抵抗病害適。基於該結果，我們提出一個全新的假說“constrained divergence”（限制性多樣性假說）：無論是抗病基因還是病原菌的效應物，都在一定的適合度內，遵循有限的進化途徑來增加各自的適應性。本項目的研究為植物抗病適應性的深入研究和高效、植物抗病基因資源的保護以及科學利用與合理開發奠定了理論基礎。