《沙冬青脫水素基因家族的功能性進化研究》是依託北京林業大學，由盧存福擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：沙冬青脫水素基因家族的功能性進化研究
- 依託單位：北京林業大學
- 項目負責人：盧存福
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
沙冬青是我國北方荒漠地區唯一的超旱生常綠闊葉灌木，具有很強的抗逆性， 能忍耐極端低溫和長期乾旱，是非常重要的基因資源和觀賞植物。沙冬青作為第三紀古地中海沿岸植物, 在氣候旱化過程中, 能在環境殘酷的現代分布區繁衍倖存至今，從進化角度來講,一定形成了適應特殊生境的內在機制，逐步演化成現在能抵禦高溫、乾旱、寒冷等多種非生物逆境脅迫的適應性特徵。本研究在克隆獲得沙冬青脫水素CIP 基因家族130個成員的基礎上，分析該家族的系統發育、基因表達模式、基因表達蛋白的功能、以及蛋白質晶體三維結構數據，以期在不同層次上系統性地揭示該基因家族在長期的地質歷史時期的功能分化模式及其分化機制，進而導致基因家族的形成，揭示該植物特殊抗逆機制形成的分子進化機制。在前述研究的基礎上，篩選獲得高效、抗逆功能不同的CIP 基因家族成員，轉化模式植物擬南芥，為進一步利用基因工程技術培育林木、花卉及作物新品種奠定基礎。
結題摘要
根據AmCIP序列設計引物，從低溫、乾旱、鹽、高溫脅迫處理的沙冬青中擴增得到126個與AmCIP同源性很高的脫水素基因。它們編碼的蛋白為106至290個胺基酸殘基。我們稱這個家族為沙冬青KS型類脫水素家族。這些蛋白內部親緣關係很近，與4種低溫回響的脫水素親緣關係最近，包括鬼箭錦雞兒（Caragana jubata）AEJ20970.1，棘豆（Oxytropis campestris subsp. johannensis）AEV59620.1和AEV59619.1，以及棘豆（Oxytropis arctobia）AEV59613.1。通過CD-HIT軟體聚類分析，篩選得到9個家族成員，命名為AmDHNs。結合Vitis vinifera (Vv)、Medicago truncatula (Mt)、Lotus japonicas (Lj)、Glycine max (Gm)的基因組數據和30個物種的脫水素基因數據，系統發育分析揭示了AmDHNs存在於沙冬青和蒺藜苜蓿共同的祖先中，並在沙冬青中發生了擴張；同時序列突變、蛋白二級結構和三維結構分析，暗示了K-和θ-motif是脫水素基因進化的主要貢獻者，K-和θ-motif的中間部分，對抗逆性進化可能起主要的作用，這可能是由於與鄰近的區域相比，該區域存在高比率的複製和DNA置換。從脫水素基因家族中挑選出7個基因AmP110C、AmP132E、AmP180D、AmP200O、AmP154E、AmP200Q、AmP95進行功能研究。轉大腸桿菌實驗表明，7個同源基因耐鹽性較差，基因間耐鹽規律不明顯。菌體和LDH凍融實驗表明，AmCIP的7個同源基因抗凍能力很強，基因之間的規律是：基因重複片段越少，對應的菌株和蛋白抗凍能力越強。菌體和LDH凍融結果的區別點在於FI及LV型蛋白抗凍效果不同，這些現象反映了基因家族重複基因會引起功能差異，從而利於生物體很好地適應環境變化。構建pCAMBIA2300-GFP載體，轉化擬南芥，獲得純合體。乾旱、鹽脅迫下測定顯示轉基因植株較野生型有較強的抗逆性，且各基因之間功能也有差異。本研究還初步挖掘了沙冬青與乾旱脅迫相關的miRNA，高通量測序獲得了正常生長和乾旱處理沙冬青原始數據三千四百萬reads。sRNA的長度分析表明20、21、24 nt的表達豐度占主要部分。
