种子发育相关B3基因的起源和进化

论文摘要

种子形成（seed formation）是陆生植物进化的关键创新（key innovation）之一,也是种子植物广泛适应不同陆地环境并发展成为陆地植被主要类群的基础。从系统发育的角度看,种子的形成实际是由于在高等植物生活史中、在胚胎发生的后期插入了一个成熟阶段所致。B3类转录因子在植物基因组中形成一个超家族,包括：LAV家族、ARF家族、RAV家族和REM家族,其中LEC2、FUSCA3和ABI3/VP1隶属于LAV家族、AFL亚家族,它们彼此互作形成一个调控网络,在种子植物基因组中调节种子成熟发育过程。但在系统演化过程中,以LEC1、LEC2、FUS3和ABI3为主调控因子的种子成熟调控模块何时形成?是否伴随着种子植物的分化而发生?不同种子植物（包括裸子植物、单子叶植物、双子叶植物）种子成熟发育的分子调控机制是否一致?是否基于相同主调控基因的作用?种子性状如何从一个生活史中不具休眠胚阶段的祖先产生?这些都还是目前悬而未决的问题。本项研究旨在：（1）以种子发育主控基因的进化分析为主线,充分利用现有的植物全基因组信息,运用比较基因组和分子进化分析手段,对LEC2、FUS3、ABI3和其它种子发育相关转录调控基因在不同类群植物基因组中的分布状况、变异式样和进化趋势进行全面的比较和分析；（2）利用分子生物学手段扩增目前尚无基因组信息的裸子植物AFL亚家族相关基因,以帮助探讨种子成熟发育调控网络的进化时间和机制。研究结果表明：（1）AFL亚家族成员在陆生植物基因组中广泛存在。其中,ABI3IVP1基因与绿藻的一个单拷贝B3基因有较高的同源性,并分布于所有陆生植物类群的基因组中；FUSCA3伴随裸子植物的分化而产生,主要分布于种子植物基因组中；而日前证据显示,LEC2主要分布在双子叶植物的基因组中,在禾本科植物中存在另一类与AFL业家族成员序列相似程度较高的基因——-IDEF-like基因。因此,AFL家族成员是伴随着陆生植物不同类群的分化而逐步产生的。（2）AB13/VPI是AFL亚家族中最早出现的成员,其蛋白序列中含有多个保守的结构域或功能域,伴随FUS3和LEC2的分化,保守结构域/功能域的数目表现出递减的趋势,且FUS3在禾本科植物与双子叶植物中分化出了各自特异的C端保守区,表明在进化过程中AFL亚家族成员经历了不同类型和不同程度的结构和功能特化。（3）从基因外显子-内含子结构与数目看,AFL亚家族成员在进化历程中经历了频繁的内含子获得事件,根据基因外显子-内含子结构推测,小立碗藓ABI3的一个拷贝是其他所有维管植物AFL亚家族成员的祖先。（4）运用PCR和[AIL-PCR方法从松杉纲植物和银杏中成功扩增得到ABI3及FUS3的同源序列,支持了基于生物信息学和比较基因组学的研究结果。目前普遍认为,ABI3、FUS3和LEC2是种子形成和发育的主调控因子,但本项研究结果它们并不是伴随着种子植物的分化而同步产生的。ABI3在种子植物发生以前就已经存在,在种子性状进化过程中被招募到新的基因调控网络中发挥新的功能；而LEC2则是后期伴随着被子植物（或双子叶植物）的分化而产生的。因此,该项研究结果对从进化发育生物学（Evo-Devo）角度探讨种子性状系统发生的分子遗传学基础具备重要参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 种子形成和发育
• 1.1.1 种子形成和发育过程概述
• 1.1.2 种子成熟发育调控网络
• 1.2 基因家族的形成与进化
• 1.3 B3超家族AFL亚家族基因与种子发育
• 1.4 本项研究的目的与意义
• 第二章 AFL亚家族B3基因的起源与分子进化研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 研究材料
• 2.1.2 序列获取
• 2.1.3 序列比对和基因结构域分析
• 2.1.4 AFL亚家族B3基因内含子丢失和插入分析
• 2.1.5 系统发育分析
• 2.2 研究结果
• 2.2.1 AFL亚家族成员在陆生植物基因组中的分布
• 2.2.2 AFL亚家族成员的系统发育关系分析
• 2.2.3 AFL亚家族成员保守区差异分析
• 2.2.4 AFL亚家族成员外显子-内含子结构变化分析
• 2.3 讨论
• 2.3.1 AFL亚家族B3基因的起源与陆生植物主要类群系统发生的关系
• 2.3.2 AFL亚家族进化史中的基因重复和分化式样
• 2.3.3 AFL亚家族成员保守结构域数目逐步减少的潜在意义
• 2.3.4 禾本科植物中AFL亚家族B3基因的结构与功能分化分析
• 第三章 裸子植物基因组中AFL亚家族B3基因的扩增
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 研究材料
• 3.2.2 总DNA提取
• 3.2.3 PCR扩增和测序
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 松杉纲植物AFL B3基因扩增结果
• 3.3.2 银杏AFL B3基因扩增结果
• 3.4 讨论
• 第四章 结论与展望
• 参考文献
• 附录Ⅰ 植物基因组中AFL亚家族B3基因的相关信息
• 附录Ⅱ 裸子植物AFL基因TAIL-PCR扩增序列
• 附录Ⅲ 攻读硕士学位期间已发表论文
• 附件
• 致谢