水平基因转移对陆生植物起源与进化的作用研究

Scientists believe that land plants evolved from water-based green algae. Transitioning from the water to the land, plants had to innovate their genomes to carry out new traits, functions and pathways and result in adaptation to the environments of the land. Horizontal gene transfer (HGT) is believed to be a rapid and effective evolutionary force in acquiring genetic materials for new traits and functions from distant species. However, there is no report for the complete genome-wide analyses of the land plant genes originated through HGT except for the HGT events between land plants and fungi. In this project, benefitting from the land plants genomes sequenced recently, the genome-wide analyses will firstly be performed to identify the land plant genes acquired through HGT from distinct species during the long period of origin and evolution of land plants, especially those transferred from the genomes of prokaryotes. In the identification of land plants HGT gene, the orthologous gene information of distribution in species, sequence characteristics and the phylogentic relations will be synthetically considered. In addition, we will reveal the roles of HGT on the origin and evolution of land plants, based on the bioinformatic analysis of these genes. Secondly, we will reveal their molecular mechanisms of fixation and stable heredity in land plants based on the adaptive evolutionary analysis of these HGT genes. In conclusion, the carrying out of this project will provide insights into the foundation of genomes and the molecular mechanism of adaptive evolution in lands for the origin and evolution of land plants. Further more, the prospective results of this project may provide idea for the development of new transgenic method.

陆生植物起源于水生的绿藻，为适应陆地的生存环境，必须通过基因组革新获取新的性状、功能和代谢途径。已有报道表明水平基因转移（HGT）能快速地从远缘物种获取新的遗传材料，从而产生新的性状和功能。然而除与真菌之间的HGT现象外，目前还没有在基因组水平上对陆生植物经HGT方式起源基因的全面分析，尤其缺少原核生物水平转移至陆生植物中基因的系统报道。本研究将在前期工作基础上，利用已测序的陆生植物基因组序列，通过分析同源基因在物种间的分布、序列特征和系统进化关系，首先在基因组水平上鉴定出陆生植物起源及演化过程中经HGT方式起源的基因，系统阐述HGT对陆生植物起源与进化的作用；其次通过对经HGT方式起源基因的适应性进化分析，揭示这些基因在陆生植物基因组中稳定遗传下来的分子机制。预期研究结果将为揭示陆生植物起源的基因组基础和适应性进化的分子机制提供重要的理论依据，并可能为研究新的转基因方法提供思路。

水平基因转移是指从具有生殖隔离的远缘物种获得遗传信息，从而帮助受体基因组获得新的性状和功能。尽管已知水平基因转移在生物起源和进化中发挥着重要作用，但对植物尤其是陆生植物中水平转移方式起源基因的报道相对较少，缺少水平基因转移对陆生植物起源和适应性进化作用的全面评价。.本研究首先在基因组水平上对陆生植物起源和进化中通过水平转移方式起源的基因进行了系统的鉴定。基于生物信息学方法发现陆生植物基因组中至少有31个基因（家族）是通过水平转移方式起源的。这些基因的供体绝大部分的供体来自于细菌，少部分为真菌，此外还各有1个基因来自于古细菌和病毒。这些基因的功能与陆生植物特有的生理特性或性状有关：包括与维管束的发育，植物激素、谷氨酸盐和脂肪酸的生物合成，糖和糖基的转运等，表明水平基因转移对植物由水生到陆生的进化具有至关重要的作用。.其次，对TAL、AEE等多个水平转移起源的多个基因进行了系统的进化分析，并利用分子生物学方法鉴定了这些基因的功能。（1）研究发现陆生植物普遍具有的TAL基因是经一次水平基因转移事件起源于细菌，供体为放线菌。自细菌转移至陆生植物的祖先物种之后，该基因经历了明显的正选择作用，并进一步获得了一些内含子。水稻TAL基因转基因实验表明该基因在植物维管束发育中具有重要作用，并且可能与植物适应陆地生态环境有关。（2）AEE基因在细菌中参与肽聚糖的新陈代谢，尽管陆生植物中没有肽聚糖，但普遍具有AEE基因。研究发现陆生植物的AEE基因是通过一次水平基因转移获得于细菌，并且在植物中进化的最初阶段经历了适应性进化，可能帮助该基因产生了新的功能。（3）系统阐述了Hsf、BAM和可溶性淀粉合成酶等基因家族的进化规律，分析了基因重复和适应性进化在这些基因家族进化中的作用。.本项目的研究结果为阐释陆生植物起源和适应性进化的分子基础提供了重要的理论依据；并可能为植物转基因新方法的建立提供新的思路。.项目在New Phytologist、BMC Plant Biology等刊物发表论文11篇，其中SCI论文9篇，申请发明专利1项；项目负责人获得江苏省杰出青年基金和校高端人才支持计划；培养研究生4名。.