蘭科植物景天酸代謝(CAM)途徑研究.pdf

1、本研究從蘭科植物CAM代謝途徑分布趨勢、CAM代謝途徑關(guān)鍵基因PEPC基因家族進化、蘭科最大的屬之一石斛屬代表性物種鐵皮石斛（兼性CAM植物）干旱脅迫轉(zhuǎn)錄組分析等三個層次，通過碳穩(wěn)定同位素技術(shù)、生物信息學(xué)手段進行進化分析，對蘭科植物景天酸(CAM)代謝進化模式、關(guān)鍵調(diào)控基因篩選進行了逐層推進、多角度探討。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)通過對我國蘭科植物葉片碳穩(wěn)定同位素研究發(fā)現(xiàn)，隔距蘭亞族植物全部表現(xiàn)為典型的強CAM植物。該亞族植物

2、的葉片δ13C值分布表現(xiàn)為單峰模式，大部分植物的葉片δ13C值為-15.0‰左右。本研究新發(fā)現(xiàn)Acampe等其他22個屬植物為強CAM植物，使蘭科植物中具有強CAM植物的屬增至112個。即使是在人們普遍認為CAM途徑植物集中分布的附生類群中，強CAM植物并非平均分布，而是主要集中在某些亞族或?qū)伲硪恍╊惾褐袕奀AM植物的比例很低，或幾乎沒有，呈現(xiàn)明顯的兩極化。蘭科植物CAM光合途徑功能很有可能在某些類群分化之前就已經(jīng)分化形成，或在很多

3、類群中多次獨立進化。
　　(2)綠色植物PEPC基因家族的進化歷史分析表明:綠色植物PEPC基因家族共分為三支，本研究首次發(fā)現(xiàn)了位于最基部的PPC-3，它由Klebsormidium和苔蘚組成。PPC-1中的雙子葉植物和單子葉植物各自擁有共同的祖先，古老的或近代的基因組重復(fù)使雙子葉植物PPC-1產(chǎn)生很多拷貝，并分化成為PPC-1E1和PPC-1E2兩支;單子葉植物PPC-1也由于古老的基因重復(fù)形成PPC-1M1和PPC-1M2兩支

4、;CAM植物不同器官轉(zhuǎn)錄組表達量分析發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行CAM光合途徑功能相關(guān)的PEPC拷貝位于PPC-1M1，與C4-型PEPC聚在一起。單子葉植物與CAM和C4光合途徑相關(guān)的PEPC就起源于PPC-1M1這一支?；蚪M重復(fù)造成了PEPC基因拷貝數(shù)量的增加，但它可能不是推動PEPC獲得固定二氧化碳功能的主要動力。由于蘭科植物中與執(zhí)行CAM功能相關(guān)的PEPC來源于單子葉植物古老重復(fù)，單子葉中CAM植物可能進化得很早，是C4植物的前驅(qū)，最古老的CA

5、M植物可能在單子葉分化不久后就已分化。
　　(3)采用Illumina第二代測序技術(shù)對鐵皮石斛干旱脅迫不同階段7個葉片樣品分別建庫進行轉(zhuǎn)錄組測序，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過濾后采用Trinity從頭組裝，最終拼接得到186，431條Unigene。Unigene序列平均長度為698 bp，其中長度大于500 bp的有66，271條，約占35.5％，而長度大于1K的有30，228條，約占16.2％。利用NR、Swiss-Prot、KEGG、COG

6、和GO等多個蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫依次對Unigene序列進行蛋白功能注釋，經(jīng)過與多個已知蛋白數(shù)據(jù)庫的逐級比對，共有164，086條Unigenes與已知數(shù)據(jù)庫比對成功，得到功能注釋信息，占鐵皮石斛轉(zhuǎn)錄組全部Unigene的88.01％。另有22，345條Unigenes，約占11.9％，未得到鑒定，為未來進一步挖掘并鑒定新的功能基因提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時，干旱處理不同階段7個葉片樣品共篩選得到818個差異表達基因，這些基因進行GO分類發(fā)現(xiàn)，