基于光合基因进化探讨中国石斛属植物CAM途径形成的分子机制

The Dendrobium species of China diverged from other orchids during the Oligocene. They evolved rapidly to adapt to the environment changes. Multiple CO2 fixation pathways, i.e., C3 pathway, weak-crassulacean acid metabolism (CAM) and strong-CAM, have presented during their evolutionary radiation. Previous studies have revealed that the origin and molecular mechanism of CAM were associated with the parallel evolution and the expression of photosynthesis related genes. Therefore, the complete chloroplast genomes and transcriptomes of Dendrobium species were sequenced in this study. Our aims were: (1) to identify the photosynthesis related genes of C3, weak- and strong-CAM species based on our established gene dataset, (2) to construct the phylogenetic trees of photosynthesis related genes, detect the genes that have undergone parallel evolution in protein sequences, and evaluated whether they were under nature selection, (3) to count the gene expression among different Dendrobium species, and assess the relationships between the changes in gene expression and the changes of CO2 fixation pathways, (4) to investigate whether the changes in protein sequence or gene expression of photosynthesis related genes were related to the origin and molecular mechanism of CAM among the Dendrobium species of China. Therefore, this research will provide new insights into the evolution and molecular mechanism of CAM, and establish the foundmental of genetic engineering. Furthermore, our results also can provide important scientific data for the germplasm resources evaluation and artificial cultivation of Dendrobium species in China.

中国石斛属植物起源于第三纪渐新世，为适应环境变化而快速进化，在石斛属物种间形成了C3、兼性CAM、专性CAM等多种光合作用途径，前期研究发现中国石斛属植物CAM光合途径的形成与光合基因的平行进化及表达差异密切相关。因此，本申请拟利用叶绿体基因组和转录组测序技术开展以下工作：(1)基于前期建立的光合基因数据库，筛选不同光合途径植物的光合基因；(2)对光合基因序列进行进化分析，筛选平行进化位点，并计算选择压力，评估平行进化位点与自然选择间的关系；(3)对光合基因在不同物种间的表达量进行统计分析，明确不同类型石斛属植物间光合基因的表达差异；(4)通过结合光合基因序列水平和表达水平的分析，探讨中国石斛属植物CAM光合途径形成的分子机制及其与生境适应的关系。此项研究的开展有助于揭示植物CAM进化及调控的遗传机理，为相关基因工程研究奠定基础，也为我国石斛属植物的种质资源评价和人工栽培管理提供科学资料。

本研究基于三代测序技术组装了第一个高质量的染色体水平的铁皮石斛参考基因组（长度1.23 Gb，Contig N50为 1.44 Mb, Scaffold N50为63.07 Mb，挂载至19条染色体上），通过比较基因组学方分析发现：基因家族扩张收缩、基因的快速进化与适应性进化是铁皮石斛药用活性物质积累与光合作用进化的重要原因。基于重测序技术组装石斛属不同光合途径代表植物的叶绿体基因组，利用比较叶绿体基因组学方法对本研究选取的8种石斛进行分析，结果显示：（1）叶绿体基因组的结构变异促进了的石斛属CAM植物的分化形成；（2）建立光合基因数据集，通过计算dn、ds值发现石斛属CAM植物与C3植物在蛋白编码基因进化上存在差异，并筛选出12个受自然选择影响的基因，利用枝位点模型计算发现6个重要光合基因在石斛属不同类群中存在适应性进化，其中rpoC2基因存在平行进化位点；（3）对不同途径石斛属植物所在144个分布地的19个气候因子进行调查，分析发现石斛属植物光合途径的变化与生境适应相关。同时，基于HSP基因家族分析与比较转录组学研究，表明：（1）特殊生境、独特的兼性CAM光合途径及光散热促进了石斛属植物HSP70基因家族的进化；（2）石斛属不同光合途径植物的光合基因表达存在差异；（3）光合基因表达模式的改变促进了石斛属植物光合途径进化。综上，本研究基于核基因组、叶绿体基因组及转录组数据探究了石斛属植物光合途径转变这一重要适应性特征，从而为阐明中国石斛属植物 CAM 途径形成的分子机制及其与生境适应的关系提供了理论基础，也为我国石斛属植物的种质资源评价和人工栽培管理提供科学依据。