杨树GST基因家族极端环境适应性进化机制研究

Understanding evolution at the molecular level is a central goal in modern biology. The molecular mechanisms of adaptive evolution and functional divergence of plant gene families in extreme environments still remain mysterious. In this study, we will focus on glutathione S-transferase (GST) gene family in Populus yatungensis and Populus euphratica genomes. P. yatungensis is a native species of Tibetan Plateau, and grows from 2700 to 4200 m above sea level. While P. euphratica is a salt-tolerant tree species growing in saline desert areas in China, can tolerate high concentration of salts. Firstly, we will investigate the molecular mechanisms contributing to the copy number variations of GST gene family in P. yatungensis and P. euphratica genomes. Secondly, the gene expression patterns of GST gene family under normal growth conditions and stress will be examined using RT-PCR and real-time RT-PCR. Thirdly, enzymatic functions of GST proteins from P. yatungensis and P. euphratica will be characterized in detail. Finally, by integrating all the results about molecular evolution, gene expressions and protein functions, this study will shed light on the adaptive evolution and functional divergence of Populus GST gene family in extreme environments.

揭示生物适应性进化的过程和机制是进化生物学研究的核心科学问题。本课题以一重要的功能基因家族——谷胱甘肽转移酶（GST）基因家族为例，选择适应青藏高原极端环境的亚东杨和适应西北干旱荒漠极端环境的胡杨为研究材料，结合基因组学、分子进化、分子生物学和生物化学等多学科分析手段，研究亚东杨和胡杨GST 基因家族基因组结构和拷贝数的变异、分子进化特征、基因家族在极端环境下的表达调控模式、蛋白质结构和功能的分化模式和机制、以及适应性突变位点的功能意义，通过整合以上结构与功能参数，逐步揭示极端环境下近缘植物物种中基因家族变异与适应极端环境之间的内在联系及其进化意义。

基因家族的功能分化与生物适应性之间的关系是后基因组时代进化生物学研究的核心问题。本项目以大型基因家族“三型氧化酶（PRX）”和“谷胱苷肽转移酶(GST)”为研究对象。我们从毛果杨中鉴定了93个PRX基因，发现毛果杨中有两组串联重复的PRX基因，其祖先基因编码的蛋白定位在细胞壁上。在其后的演化历程中，有一个祖先拷贝获得液泡定位的信号肽而定位在液泡中，然后液泡PRX基因经历了快速的扩张，扩张后的液泡PRX基因受到正选择驱动而导致所编码蛋白的生化功能发生分化。我们以毛果杨为参照，以适应青藏高原极端环境的亚东杨和适应西北干旱荒漠极端环境的胡杨为材料，从三个物种中鉴定了18组直系同源GST基因，从基因序列、基因表达、蛋白质结构与功能层面揭示了基因家族在极端环境下的表达调控模式、蛋白质结构和功能的分化模式和机制。多倍化在植物中非常普遍，我们以大豆GST基因家族为例，发现由多倍化产生的重复基因大部分经历了假基因化或基因丢失，被保留的重复基因在酶学特性上有较大的分化。