大豆KLU基因家族基因进化与功能分析

发布时间：2020-06-29 09:45

【摘要】：基因复制使植物基因组产生了大量的复制基因,为植物的进化提供了最原始、最丰富的基因材料。虽然大部分的复制基因在进化过程中因丢失了功能而被清除,然而当复制基因通过各种机制被保留后,会通过相应基因表达及功能上的进化对植物产生深远的影响,如花结构相关基因、抗病性诱导及胁迫逆境适应相关基因等。大豆作为古四倍体,经历了数次全基因组复制及大量的串联重复复制、区段复制及转座,其产生的大量复制基因会随机发生各种突变,当受到的选择压力不同时,不同的突变得到积累,进而使复制基因产生表达及功能上的分化,因此,与基因的原始功能相比,复制基因会变得无功能化、亚功能化及新功能化,也就会对大豆的生长发育产生不同的影响,如大豆种子各元素的含量、大豆对胁迫的反应及开花时间等,为大豆的进化提供了重要动力。因此,研究基因的复制机制及影响,能够对改良大豆的农艺性状提供重要的思路和参考。本论文对大豆CYP78A亚家族基因的复制与保留、进化、表达及功能进行了研究,主要研究内容如下:1、GmCYP78A亚家族基因的克隆与进化分析以拟南芥KLU基因的氨基酸序列为源序列进行比对,在大豆基因组中找到了与其亲缘关系最近的GmCYP78A70、GmCYP78A57、GmCYP78A72,即拟南芥中的KLU基因在大豆中具有了三个同源基因,随后分别对其进行了克隆。全基因组进化分析发现,GmCYP78A70与GmCYP78A57为通过全基因组复制而来,而GmCYP78A72是通过局部复制而来。2、GmCYP78A亚家族基因表达模式及功能研究本实验分析了GmCYP78A亚家族基因的表达模式,发现三个基因的表达产生了分化,GmCYP78A70主要在营养分生组织中表达,并随营养生长,表达量升高,其专一性地调控叶的生长,GmCYP78A57主要在花及种子中表达,随着生殖生长的进行,表达有升高的趋势,其主要调控花及种子的生长,而GmCYP78A72能够在以上组织器官中均得到表达并发挥调控作用。对三个基因的启动子的活性分析发现,三个基因的表达差异是由启动子的活性不同造成的。将三个基因过表达后,分别产生了不同的表型,表明三个基因的蛋白经过长期的自然及人工选择后同样产生了分化。3、GmCYP78A亚家族基因受到不同的自然及人工选择Ka/Ks分析表明,三个基因均经历较强的纯化选择。GmCYP78A70与GmCYP78A57经过全基因组复制后,分别具有部分的原始功能,即亚功能化,功能更趋向于专一,而GmCYP78A72作为最新复制出的基因,其复制后得到转移,且受到了更严格的选择,因而保留了更多的原始功能,以应对外界环境的变化,因此三个基因经过不同纯化及人工选择得到了保留。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S565.1
【图文】：

基因复制,机制,复制基因

5图 2-1 基因复制机制 (Panchy et al., 2016)Figure 2-1 Mechanisms of gene duplication一般来说，基因复制后会产生两个拷贝，且在较低的选择压力下，基因都会得到进化，或者产生一些新功能，对物种的进化做出贡献。复制基因对新性状的贡献已经得到证明 (Peer et al., 2009)。

电泳图,基因克隆,电泳图,基因

图 3-1 GmCYP78As 基因克隆Figure 3-1 Clone of GmCYP78A genesA：GmCYP78A 基因 PCR 扩增电泳图。B：GmCYP78As CDS PCR 扩增电泳图。A：Genomic sequence amplification of GmCYP78As. B：CDS sequence amplification ofGmCYP78As.3.2.3 基因结构分析根据基因组的注释，我们分析了 CYP78A70、CYP78A57 及 CYP78A72 三个基因的外显子、内含子边界。三个基因的编码序列均被一个内含子隔开成了两个外显子，外显子长度差异均在 9bp 的范围内，表明三个基因具有一定的保守性（图 3-2）。三个基因与拟南芥 KLU 类似，在 C 端具有一个保守的血红素结合域 (Wachenfeldt and Johnson, 1995)，在基因 N端附近则有一个疏水的螺旋结构，此结构能将合成的蛋白锚定在质膜上（图 3-3）(Gonzalez et al., 1986; Sakaguchi etal., 1987)。

【相似文献】