DELLA基因家族在被子植物中的起源与演化关系

DELLA基因家族作为GRAS转录因子超家族中的一个重要家族,是植物赤霉素信号调控的主要因子。DELLA基因的结构与功能表达,在赤霉素信号传导中作用的分子机理,以及与其它植物激素之间的交互作用的分子机制等方面都进行过较多的研究,但有关整个DELLA基因家族在植物中的起源与进化关系的研究则比较少。

本论文基于具有全基因组数据的植物中各主要分支类群的DELLA基因的氨基酸序列,开展它们在被子植物中的起源与演化关系的研究,为深入研究DELLA家族提供有益参考。首先,通过搜索被子植物模式种的全基因序列,进行DELLA基因家族在被子植物中的系统发育框架的初步构建。

我们共收集到被子植物11科19个种的DELLA基因的序列,通过系统发育分析发现在被子植物中除蔷薇科苹果的两条序列以外,其它所有被子植物DELLA序列形成支持率为100%的一支,其中双子叶植物发生基因复制形成两个大的分支,并且每支都包含了相应的蔷薇类和菊类两大主要类群,但是不同类的物种所包含的基因的拷贝数的情况不一致。另外发现在被子植物中可能还存在独立的一个孑遗的支系。

其次,在前面的系统框架的基础上,结合葡萄科的转录组数据,探讨DELLA基因家族在葡萄科中的拷贝数与系统进化关系,特别是验证在被子植物中是否存在第三支。分析结果表明葡萄科中DELLA基因家族被分为三大支,前两支关系较近,并证实后一支在被子植物中为孑遗的一支。

通过Pfam数据库进行结构域的搜索,并使用MEME软件对结构域进行注释,表明在葡萄科中N端的结构域有着明显差异。GROUP1比GROUP2和GROUP3的保

守基序缺少了motif 4,11,15,17,18,22的保守位点,这可能是GROUP1在DELLA基因家族中分化较早,而GROUP2和GROUP3在后来的遗传分化发生了较多的氨基酸的突变或功能分化。

最后,全面搜集植物全基因组数据库序列,获取所有的DELLA基因家族的氨基酸序列,构建DELLA基因家族在植物中全面的系统进化关系,以及分析其基因基序和保守域变异情况。研究结果表明DELLA基因家族在被子植物起源之前已经开始分化,至少从种子植物开始,出现一次早期的基因复制事件,形成了两个支系,其中被子植物分支I为主要分支,包括了被子植物的各处主要分支,并且在双子植物中发生整体复制分化为两个分支,而被子植物分支II为比较孑遗的支系,只包括了部分被子植物类群。

DELLA基因在C端的GRAS结构域具有高度保守性,N端的结构域则在不同分支类群中有很大的差异。