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(shì)、CAM代謝途徑關(guān)鍵基因PEPC基因家族進(jìn)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(gè)層次，通過碳穩(wěn)定同位素技術(shù)、生物信息學(xué)手段進(jìn)行進(jìn)化分析，對(duì)蘭科植物景天酸(CAM)代謝進(jìn)化模式、關(guān)鍵調(diào)控基因篩選進(jìn)行了逐層推進(jìn)、多角度探討。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)通過對(duì)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(qiáng)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(gè)屬植物為強(qiáng)CAM植物，使蘭科植物中具有強(qiáng)CAM植物的屬增至112個(gè)。即使是在人們普遍認(rèn)為CAM途徑植物集中分布的附生類群中，強(qiáng)CAM植物并非平均分布，而是主要集中在某些亞族或?qū)?，而另一些類群中?qiáng)CAM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(dú)立進(jìn)化。
　　(2)綠色植物PEPC基因家族的進(jìn)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(dá)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(dòng)PEPC獲得固定二氧化碳功能的主要?jiǎng)恿?。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(jìn)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(cè)序技術(shù)對(duì)鐵皮石斛干旱脅迫不同階段7個(gè)葉片樣品分別建庫進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)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(zhǎng)度為698 bp，其中長(zhǎng)度大于500 bp的有66，271條，約占35.5％，而長(zhǎng)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(gè)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫依次對(duì)Unigene序列進(jìn)行蛋白功能注釋，經(jīng)過與多個(gè)已知蛋白數(shù)據(jù)庫的逐級(jí)比對(duì)，共有164，086條Unigenes與已知數(shù)據(jù)庫比對(duì)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(jìn)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(shí)，干旱處理不同階段7個(gè)葉片樣品共篩選得到818個(gè)差異表達(dá)基因，這些基因進(jìn)行GO分類發(fā)現(xiàn)，