植物RPW8-NBS-LRR类抗病信号传导基因的起源、演化及功能化机制

NBS-LRR gene is the largest and the most important class of known plant disease resistance genes, which have been classified into two major subclasses, TIR-NBS-LRR and CC-NBS-LRR, in previous studies. However, a new subclass NBS-LRR gene termed RPW8-NBS-LRR was found in recent studies. In contrast to most previously identified NBS-LRR genes that encode proteins to sensor the infection of pathogen, the product of RPW8-NBS-LRR gene is participated in the signal transduction. So far, there were very few studies on the newly identified RPW8-NBS-LRR subclass genes. The origin, evolution and functionalization of this type gene are poorly understood. Here, we propose a research plan to study the origin of this special NBS-LRR subclass by using both bioinformatics and molecular experimental approaches, reconstruct its evolutionary history, investigate its evolutionary patterns and mutational mechanisms and finally explore the functionalization mechanism during its evolution. We believe that this plan will profoundly increase our knowledge towards the origin, evolution and functionalization of RPW8-NBS-LRR gene, provide fundamental information for comparing the evolution difference among different NBS-LRR subclasses, and facilitate the further understanding of plant immunity system evolution.

NBS-LRR基因是植物中最为重要的一类抗病基因，之前被分为TIR-NBS-LRR和CC-NBS-LRR两类。近期研究发现了一类新的NBS-LRR基因——RPW8-NBS-LRR基因。这类基因的功能与之前已知功能的NBS-LRR类基因不同，并不参与病原识别，而是在抗病基因的信号传导中发挥作用。对于这类发挥特殊功能的RPW8-NBS-LRR基因的研究较少，尤其对其起源时间、演化规律及功能化机制知之甚少。针对这些问题，本项目拟结合生物信息学和分子生物学办法，调查RPW8-NBS-LRR基因在陆地植物各关键类群中的存在情况，推测该类基因的起源时间；分析不同植物类群中该类基因的演化特征；并通过实验研究该类基因的功能化机制。本项目不仅能加深我们对RPW8-NBS-LRR基因的起源、演化和功能化机制的认识，还将揭示参与抗病不同过程的NBS-LRR的演化和功能化的异同，促进对植物免疫系统演化的认识。

本研究针对一类植物抗病基因RPW8-NBS-LRR（RNL）基因展开研究。作为植物最大的一类抗病基因——NBS-LRR基因中新发现的一个亚类，RNL基因与早期发现的两个NBS-LRR亚类TIR-NBS-LRR （TNL）基因和CC-NBS-LRR （CNL）基因的功能完全不同。它并不通过识别特定病原入侵发挥抗性，而是在抗病信号传导过程发挥作用。本研究目的在于通过对RNL基因的起源和演化模式进行研究，揭示参与抗病不同过程的NBS-LRR基因亚类是如何演化而成，它们呈现出怎样的演化差异。. 通过对覆盖不同生物界的数千个基因组的全面分析，我们发现NBS-LRR基因是一类植物特有的基因家族，而不存在于其它非植物类群。进一步对苔类植物（地钱）和一个绿藻（布朗葡萄藻）进行转录组测序和分子扩增验证，以及对多个轮藻转录组数据分析，首次发现了NBS-LRR基因在陆地植物以外类群（轮藻和绿藻）中的存在，这一结果暗示NBS-LRR基因早在绿色植物共同祖先中就已出现。对所有绿色植物中鉴定的NBS-LRR基因进行系统演化分析发现，以RNL、CNL、TNL为代表的三类基因形成了3个独立的演化分支，并且来自藻类植物的序列分别位于RNL和TNL所在分支的基部，提示NBS-LRR基因在演化早期就已分化成3个不同功能亚类。这一结果也表明RNL基因的起源可以追溯到绿色植物共同祖先。对RNL基因的演化分析发现，被子植物共同祖先的基因组加倍事件导致RNL基因复制形成了两个分支，分别以拟南芥的ADR1基因和烟草的NRG1基因为代表；与TNL和CNL基因的快速演化和剧烈扩张不同，RNL基因呈现出保守演化的特征，在大多数被子植物基因组中都只保存了低拷贝，这可能与其独特的生物学功能相关。为了探讨RNL两个分支功能分化的分子机制，我们对ADR1和NRG1演化过程中形成的序列差异、motif组成变化等进行了分析，发现了多个可能导致两个分支功能歧化的重要变异区域，为进一步揭示两类基因参与植物抗病过程的分子机制提供了依据。