铁角蕨属不同生态型植物隐花色素基因家族的适应性进化研究

隐花色素(cryptochrome)是一类通过吸收蓝光和紫外光调节植物形态、新陈代谢变化以及向光反应的光受体。为了深入理解蕨类植物光受体基因家族应对不同光环境的分子适应性机制，本项目拟采用基因组步移技术，获得26种铁角蕨属（Asplenium）不同生态型植物隐花色素基因的全长序列，从分子进化的角度对它们进行分析和比较；阐明其核苷酸和推测的氨基酸序列的特征、了解其基因家族成员的数量和组成、重建系统发育关系，并重点针对隐花色素的N端和C端结构域展开适应性进化分析；检验该基因家族成员在进化过程中是否经受正选择，阐明正选择、选择压力放松及负选择各自所起的作用，鉴别出可能经受正选择的位点，进而揭示该基因在处于不同光环境条件下蕨类物种中的进化式样。项目的开展将深化我们对蕨类植物隐花色素基因家族起源、进化及功能适应性的理解，同时也为蕨类植物光受体信号传导途径的研究奠定基础。

本项目以不同生态型铁角蕨属植物为研究材料，采用DNA测序和基因组步移技术，获得其隐花色素基因(Cry)家族成员的全长序列，并对它们开展适应性进化研究。取得的主要研究结果有：(1)获得了云南铁角蕨和长叶铁角蕨Cry基因家族3个成员的全长序列；扩增获得包括铁角蕨、华中铁角蕨等在内的10个物种Cry1基因的PHR结构域序列；(2)生物信息学分析表明，长叶铁角蕨Cry基因家族的三个成员分别编码591、677和699个氨基酸，含有该基因家族典型的PHR和CCT结构域；(3)云南铁角蕨Cry基因家族的三个成员分别编码581、665和697个氨基酸，这三个基因与铁线蕨的AcCry1，AcCry2，AcCry4基因相比较，分别有83%, 81% 和77%的相似性；(4)在与包含藻类、苔藓、蕨类、单子叶和双子叶植物在内的35种植物的Cry基因进行的系统发育分析显示，云南铁角蕨Cry基因家族的三个成员与铁线蕨的5个成员亲缘关系最近，并与其它植物的隐花色素基因分离开来，形成一个单独的分支；(5)采用SLAC、REL以及FEL方法，对铁角蕨属植物Cry基因PHR结构域位点进行选择压力在线分析，计算结果显示，3种方法均未检测到正选择位点，表明Cry基因在进化过程中十分保守；(6)阐明了蕨类叶绿体基因组rpoB-psbZ区的进化动态、明确了海金沙的叶绿体基因组组织方式代表的是蕨类植物从基部型向核心型演化的过渡形态；(7)阐明蕨类植物重要功能基因rbcL的适应性进化和共进化式样。上述研究结果为深入理解蕨类植物响应生态环境变化的分子适应机制奠定了基础。研究结果已经发表在Plant Physiology and Biochemistry, BMC Plant Biology 以及Genome Biology and Evolution等SCI国际重要学术刊物上。