摘要
豆科植物的共生固氮是高效节能的氮来源，有利于减少化肥的使用。研究共生固氮在不同物种中的适应性演化有助深入理解豆科植物共生固氮分子演化机制，挖掘优良功能基因，为共生固氮效率的改良奠定理论基础。为了探讨近缘物种中结瘤固氮功能与作用机制的适应性演化，本研究以菜豆族大豆(Glycinemax)和菜豆(Phaseolusvulgaris)作为研究对象，通过比较根瘤不同发育时期的转录组与关键circRNA,结合基因选择压力分析与群体平衡选择压力分析，揭示大豆与菜豆根瘤发育过程中mRNA及circRNA表达图谱以及差异调控机制;构建大豆根瘤发育circRNA-miRNA-mRNA调控网络，揭示大豆与菜豆根瘤发育过程中的保守性与特异性，通过分子生物学手段初步分析关键基因在大豆与菜豆根瘤发育过程中功能的差异。主要结果如下: 1.通过二代转录组测序，构建了大豆共生固氮表达谱并与菜豆转录图谱进行比较。大豆在接种根瘤菌后，上调了对几丁质信号的响应，触发根瘤发育过程，同时激活茉莉酸信号通路与生物胁迫相关通路用于根瘤菌的识别;而菜豆在此阶段下调了相关的生物学过程。免疫信号等过程的下调可能是菜豆相较于大豆对不同种根瘤菌具有更低的识别特异性的原因。比较转录组与基因共表达分析揭示了大豆与菜豆在结瘤与固氮相关生物学过程上的保守性，如一同源AP2转录因子参与了大豆与菜豆中结瘤与次黄嘌呤核苷酸(inosinemonophosphate,IMP)生物合成途径的调控。 2.选择压力分析显示出大部分大豆与菜豆的祖先基因受到纯化选择，这些纯化选择基因主要参与了转录与能量代谢等生物学过程。然而，菜豆在根瘤菌侵染阶段的差异表达基因，相较于根瘤发育与成熟阶段的差异表达基因，更偏向于放松选择。表明菜豆对不同根瘤菌的兼容性可能来自于其早期侵染阶段基因的放松选择这一适应性进化的结果。同时大豆与菜豆参与固氮结瘤生物学过程的基因共表达模块相较于基因背景受到更高的正选择压力，印证了共生固氮的起源早于大豆与菜豆发生分化，其功能对于豆科植物的适应性十分重要。 3.通过群体平衡选择分析对大豆与菜豆群体进行了平衡选择基因的筛选。在大豆群体中发现7个基因在每个群体中都被鉴定为可能的平衡选择基因。对至少在两个群体中被检测到的平衡选择基因进行富集分析，发现这些基因参与了生物胁迫相关生物学过程。在菜豆群体可能的平衡选择基因中，其基因功能主要参与生物胁迫。平衡选择分析结果表明，大豆与菜豆在抵抗生物胁迫方面存在显著的平衡选择压力，有助于适应不同的生境，如部分平衡选择基因参与了调控大豆菜豆与根瘤菌的共生。 4.对大豆根瘤发育过程中的circRNA进行了鉴定。circRNA可能作为转录后调控因子在大豆根瘤发育的全程以及根发育过程中起作用。大豆与菜豆超过40％circRNA的亲本基因为同源基因。CircRNA独立于其亲本基因的表达发挥作用。在预测的circRNA-miRNA-mRNA调控网络中，大豆circRNA可能发挥“分子海绵”的作用抑制了miRNA对靶基因表达量的下调。 综上所述，本研究通过多组学及分子生物学等手段，比较了大豆与菜豆根瘤发育过程中的转录调控与转录后调控，揭示了大豆与菜豆共生固氮在进化上的差异性与一致性，为深入理解植物共生固氮起源、提高植物共生固氮效率提供了新的见解。
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