大豆DA1基因家族分子进化和功能歧化研究

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DA1基因家族成员DA1和DAR1在拟南芥中主要参与负调控种子和器官的大小。它们所编码的蛋白包含两个UIM域,一个LIM结构域和一个保守的但未知功能的C末端,属于LIM蛋白超家族。该基因家族在其它物种中的功能尚未被报道,其起源和进化样式也尚不清楚。大豆作为一种重要的粮食作物,是植物蛋白和油的重要提供者。本研究在基因组的层面上分析了DA1基因家族的分子进化样式,着重探讨该基因家族成员在栽培大豆和野大豆中的功能分化样式。主要结果如下:  ⑴植物DA1基因家族的分子进化研究。DA1基因家族是植物特有的基因家族,属于LIM超家族。DA1家族分子进化树的基部是苔藓和石松类植物的DA1基因,进化到种子植物的祖先开始分化成ClassⅠ和ClassⅡ两个分支。每个Class分支分别由一个裸子植物支和一个被子植物支构成,被子植物支又包括一个双子叶植物支和一个单子叶植物支。但是两个Class中被子植物分支的成员数目和结构都有一定的分化,这些暗示了DA1基因家族功能的分化。多序列比对研究发现了13个分支特异位点,这些位点在不同的分支或亚支都具有不同程度的分化,能够完全区分进化树上的不同亚支。这些位点在基部植物中有时会出现一种或者两种不同的氨基酸,在进化的过程中,每个亚支会遗传固定其中的一个或者直接变成新的氨基酸。DA1基因家族的内含子和外显子结构也有一定程度的分化。首先,它们在数目上相对保守大都具有10个内含子;在长度上,外显子相对保守,但内含子却变化多样。DA1基因家族的内含子在祖先状态时是以长内含子为主的模式,但是进化到被子植物的祖先时,却变成了以短内含子为主的模式并在进化的过程中被保留下来。这种变化模式是伴随着被子植物的出现而出现的,暗示了DA1基因家族可能参与植物多样性和适应性的形成过程。  ⑵DA1基因家族在栽培大豆和野大豆中的功能分化研究。大豆基因组中共有11个DA1基因成员。GmaDA1旁系基因间的一致性较低,而在栽培大豆和野大豆中的DA1直系同源基因间则具有较高的一致性。DA1基因的不同成员在栽培大豆和野大豆中基本都是在营养器官根、茎和叶中具有较高的表达,而在生殖器官花和果中的表达较低。不同Class的成员之间并没有发生显著的分化。大豆中的DA1基因对各种非生物胁迫都具有不同程度的响应。在同一胁迫条件下,不同的DA1基因在栽培大豆和野大豆中的表达模式是多样的,而同一个基因在不同的非生物胁迫中也具有不同的响应模式。表达的多样性可能暗示了DA1基因家族功能的多样性。转基因拟南芥分析的结果发现,7个DA1基因(GsoDA1-1、GsoDA1-2、GsoDA1-3、GsoDA1-7、GsoDA1-8、GsoDA1-9和GsoDA1-11)转基因拟南芥的种子与野生型相比都没有显著的变化,暗示它们可能并没有参与植株种子大小的调控。但是在盐胁迫分析中发现,7个转基因拟南芥植株的种子萌发对盐胁迫的敏感性都有所降低;而且除了基因GsoDA1-9外,其它转基因植株在土壤中都有一定的耐盐性,其中GsoDA1-3和GsoDA1-8对盐胁迫的耐性最大。这些结果表明大豆DA1基因在表达上的分化可能与栽培大豆和野大豆在耐逆性上的分化有关,尤其对提高植物对盐胁迫的耐性可能具有潜在的作用。DA1基因家族的进化分析为理解植物的进化和适应性提供一定的基础;在栽培大豆和野大豆间比较研究DA1基因的分化式样对理解该基因家族在大豆驯化和耐逆性机制上具有重要意义。这些研究结果也为大豆的遗传改良提供一定的指导作用和物质基础。
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