摘要
石斛属(Dendrobium Sw.)为兰科第二大属，是典型的附生兰花，一般附生于岩石或树干上，具有极高的药用和观赏价值，在我国境内分布范围广泛，其生长发育受到光照、降水等多种因素影响。为了适应多变的生长环境，中国石斛属植物进化出了多种复杂的光合途径，包括C3途径、专性CAM途径和兼性CAM途径等，极适合作为CAM平行进化的研究模型，对于揭示CAM进化及调控的遗传机理具有重要意义。在本文中，为了探究石斛属植物光合途径由C3向CAM转变的分子进化机制，进行了如下研究: (1)通过比较基因组分析，我们利用18种不同光合途径植物氨基酸序列构建系统发育树并分析进化时间，在22.6 Mya发生了石斛属的分化;对剑叶石斛特有基因、基因家族收缩与扩张基因和正选择基因进行检测和鉴定，仅发现11个正选择基因，整体趋于保守，但光合作用和药用成分相关基因发生了不同程度的扩张和收缩，证明了石斛属植物的药用价值，有助于揭示石斛属植物光合途径的转变机制。除此之外，我们在包括3种代表性石斛属植物在内的18种植物中筛选了10个光合基因家族551个光合基因构建系统发育树并分析其在CAM植物中的进化关系，最终发现CAM途径是独立进化多起源的。 (2)对8种不同光合途径石斛属植物进行转录组测序(共48个样本，其中每个物种分别在白天/夜间采样，每个样本3次重复)，利用48个石斛转录组数据筛选昼夜节律表达差异基因，功能富集发现天线蛋白、热激蛋白和昼夜节律三个重要通路。通过构建皮尔森相关系数网络和加权基因共表达网络，筛选作用于不同光合途径的光合基因及其相关基因，发现石斛属植物光合相关基因及其他重要基因的表达模式的变化可能促进了石斛属植物光合途径的转变。 (3)此外，在铁皮石斛(Dendrobium officinale Kimura et Migo)基因组中鉴定出了 37 个 Hsp20 基因(DenHsp20s)、43 个 Hsp70 基因(DenHsp70s)和 4 个Hsp90基因(DenHsp90s),并分别从进化和功能两方面进行研究。进化方面，鉴定出33对重复事件，其中7对DenHsp70s发生正选择，可能在帮助细胞抵抗极端应激方面具有重要功能;功能方面，光和MeJA响应元件最多，MeJA处理下DenHsp20-5,6,7,16显著上调，为Hsp在非生物胁迫中发挥的重要作用提供信息。 综上所述，本研究基于比较基因组学和转录组学方法，探究石斛属植物光合途径由C3向CAM转变的分子进化机制，有助于揭示CAM途径的形成机制。围绕兼性CAM植物铁皮石斛Hsp20、Hsp70和Hsp90基因家族开展分析，为铁皮石斛抗逆研究提供理论基础。
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