植物登陸過程中光合作用相關(guān)基因的進(jìn)化

李雪芹， 王寅初， 崔玉琳， 秦 松， 胡章立

(1. 深圳大學(xué) 生物科學(xué)學(xué)院， 深圳 518060； 2. 中國科學(xué)院 煙臺(tái)海岸帶研究所， 煙臺(tái) 264003)

植物登陸過程中光合作用相關(guān)基因的進(jìn)化

李雪芹1， 王寅初2， 崔玉琳3， 秦 松2， 胡章立1

(1. 深圳大學(xué) 生物科學(xué)學(xué)院， 深圳 518060； 2. 中國科學(xué)院 煙臺(tái)海岸帶研究所， 煙臺(tái) 264003)

現(xiàn)代陸生植物的祖先大約在5億到4.7億年前登陸，這是植物進(jìn)化過程中的重要事件。光照不僅是植物的主要能量來源，還是主要的環(huán)境信息來源之一。一般認(rèn)為，光合作用效率越高，植物的適應(yīng)能力越強(qiáng)。植物登陸過程前后，環(huán)境從光照、光強(qiáng)到二氧化碳/氧氣濃度比等都發(fā)生了變化，比如適應(yīng)陸地生活的海草重新返回水生環(huán)境，猜測(cè)在這個(gè)過程中植物光合作用的相關(guān)的關(guān)鍵功能基因可能發(fā)生了進(jìn)化。為了證明該假說，以鏈形植物門綠藻和低等陸地植物為主要研究對(duì)象，通過從GenBank收集相關(guān)基因序列以及從幾株相近綠藻中提取測(cè)定DNA序列，利用PAML“分枝-位點(diǎn)”模型對(duì)光合作用光反應(yīng)和暗反應(yīng)中的psbA、rbcL、rca3個(gè)基因進(jìn)行了適應(yīng)性進(jìn)化分析。結(jié)果顯示植物登陸過程前后，在這3個(gè)光合作用相關(guān)基因中均未檢測(cè)到統(tǒng)計(jì)上顯著的正選擇位點(diǎn)，反而在綠色植物早期分化(綠藻門和鏈形植物門)過程中卻發(fā)現(xiàn)有明顯的正選擇痕跡。這些驚人的結(jié)果提示植物登陸前后從水體到陸地的環(huán)境變化對(duì)光合作用的影響可能并不大，其它諸如角質(zhì)膜、氣孔器等相關(guān)的基因可能發(fā)揮了更大的作用。

植物；psbA基因；rbcL基因；rca基因；正向選擇位點(diǎn)；環(huán)境變化；適應(yīng)性進(jìn)化

陸生植物的祖先大約在5億到4.7億年前登陸[1]，毫無疑問植物的這次由水生到陸生的發(fā)展是生物進(jìn)化的重大事件[2-3]，使地球環(huán)境發(fā)生了重大的改變，是整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的開始[4]。植物從水生到陸生需要適應(yīng)新的環(huán)境條件，比如干燥、氣溫浮動(dòng)、營養(yǎng)的供給、光照變化、CO2和O2的濃度等[5]。

現(xiàn)代生物學(xué)普遍認(rèn)為陸生植物起源于鏈形植物門綠藻。超顯微結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)研究以及分子數(shù)據(jù)顯示鏈形植物門綠藻分為6個(gè)綱：輪藻綱(Charophyceae)，鞘毛藻綱(Coleochaetophyceae)、雙星藻綱(Zygnematophyceae)、克里藻綱(Klebsormidiophyceae)、綠疊球藻綱(Chlorokybophyceae)和中斑藻綱(Mesostigmatophyceae)[6]。Graham[2]和Kenrick等人[3]通過形態(tài)分析認(rèn)為輪藻綱和鞘毛藻綱是最接近陸生植物的，2001年Karol等人[7]認(rèn)為輪藻綱是最接近陸生植物的類群。而2010年Finet[8]發(fā)表的以核基因編碼為基礎(chǔ)的多基因系統(tǒng)發(fā)育分析的文章認(rèn)為鞘毛藻綱是最接近陸生植物的類群。2011年Wodniok等人[9]同樣采用系統(tǒng)發(fā)育分析的方法證明雙星藻綱或者鞘毛藻綱是最接近陸生植物的類群。

綠色植物包括兩大分支：鏈形植物門和綠藻門。其中鏈形植物門包括鏈形植物綠藻和陸生植物。鏈形植物門綠藻與綠藻門是并系群。從超顯微結(jié)構(gòu)和生物學(xué)特性方面來看，鏈形植物門綠藻具有很多陸生植物所共有而綠藻門所不存在的特征，比如能進(jìn)行有絲分裂，存在能夠持續(xù)進(jìn)行有絲分裂的紡錘體結(jié)構(gòu)；具有許多獨(dú)特的酶系統(tǒng)等。從分子生物學(xué)角度來看，通過對(duì)Spirogyra和Coleochaete序列文庫分析發(fā)現(xiàn)，鏈形植物門綠藻更接近陸生植物而不是綠藻門。將Spirogyra和Coleochaete序列與萊茵衣藻和擬南芥進(jìn)行同源基因序列比對(duì)發(fā)現(xiàn)，鏈形植物門綠藻與擬南芥的相似程度是鏈形植物門綠藻和萊茵衣藻的2到3倍。序列分析和同源基因分析增強(qiáng)了鏈形植物門綠藻和陸生植物之間的親密關(guān)系[10]。

光合作用為植物的生存提供了物質(zhì)和能量。光合作用是植物將光能轉(zhuǎn)換為可用于生命過程的化學(xué)能并進(jìn)行有機(jī)物合成的生物過程。光合作用主要分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)過程。光反應(yīng)中，光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心在這一過程中起到關(guān)鍵作用。D1蛋白是光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的兩個(gè)核心蛋白之一，由于D1蛋白分別與原初電子供體P680、初級(jí)電子受體去鎂葉綠素和次級(jí)電子受體質(zhì)體醌以及與水裂解相關(guān)的錳簇相連，所以D1蛋白對(duì)原初電荷的分離、維持光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心構(gòu)象的穩(wěn)定以及電子的傳遞至關(guān)重要。D1蛋白由psbA編碼，葉綠體基因組編碼psbA。同樣，核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶(Rubisco)在光合作用的暗反應(yīng)中起重要的作用，既負(fù)責(zé)碳同化又引發(fā)光呼吸，既是固定CO2的限速酶，又是決定CO2和O2相互競爭的關(guān)鍵酶，全酶由8個(gè)大亞基和8個(gè)小亞基組成，已知酶的活性中心位于大亞基上，小亞基只有調(diào)節(jié)功能。大亞基主要由rbcL編碼，rbcL由葉綠體基因組編碼，小亞基則由核基因組編碼。Rubisco作為光合碳同化的關(guān)鍵酶，其活性高低直接影響光合速率，而Rubisco必須經(jīng)Rubisco活化酶活化后才具有催化活力，Rubisco活化酶的編碼基因rca由核基因組所編碼。

由于光是比較易變的環(huán)境因子而植物是固定生長的生物，因此有效光照的改變很可能對(duì)植物造成較強(qiáng)的選擇壓力[11]。植物從水生進(jìn)化到陸生，CO2和O2濃度也發(fā)生了不同的變化。因?yàn)橹参锏顷懬昂蟓h(huán)境有所改變，所以我們推測(cè)在此過程中對(duì)植物光合作用起關(guān)鍵作用的功能基因可能發(fā)生了適應(yīng)性進(jìn)化，比如適應(yīng)陸地生活的海草重新返回水生環(huán)境[12]。為了驗(yàn)證該假說，我們選取了鏈形植物門綠藻的3個(gè)屬的植物。針對(duì)上述3個(gè)基因: 光反應(yīng)中編碼D1蛋白的psbA基因，核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶的大亞基編碼基因rbcL，核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶的限速酶—核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶活化酶編碼基因rca，利用PAML“分枝-位點(diǎn)“模型對(duì)植物早期進(jìn)化相關(guān)類群進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)化分析[13]。

1 材料和方法

1.1 序列數(shù)據(jù)獲取和處理

由GenBank獲得37個(gè)物種的psbA序列(附表1)，87個(gè)物種的rbcL序列(附表2)，11個(gè)物種的rca序列(附表3)。此外，本研究選取3株植物SpirogyrapratensisUTEX LB 928 (鏈形植物門雙星藻綱)，ColeochaetescutataUTEX LB 2567 (鏈形植物門鞘毛藻綱)，ClosteriumlanceolatumFACHB-545 (鏈形植物門雙星藻綱)進(jìn)行培養(yǎng)，分別提取這3株藻的RNA，然后反轉(zhuǎn)錄成mRNA，以3株藻的mRNA為模板進(jìn)行PCR分別擴(kuò)增psbA，rbcL以及rca的序列，引物分別為:psbA上游引物F: 5′-CTT CTGCGACTGGGTTACCA-3′，下游引物R: 5′-CGTCCTTGGCTATCAACTACA-3′；rbcL上游引物F: 5′-TAAAGCAGGTGCAGGATTTAAAGG-3′，下游引物為R: 5′-TATCAAATTCAAATTTAATTTC TTTCCAAAC-3′；rca上游引物F: 5′-TCCGATGACCAGCAAGACATCA-3′，下游引物為R: 5′-CACC GAAGAAATCGATGGAC-3′。用MAFFT 5[14]進(jìn)行序列的方向校正和比對(duì)，再用MEGA 4進(jìn)行密碼子比對(duì)[15]。

1.2 系統(tǒng)發(fā)育分析

根據(jù)JModelTest軟件選取最佳核苷酸進(jìn)化模型[16]，并用PHYML 3.0來構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹[17]，Bootstrap值設(shè)定為1000次，采用PAML 4軟件包進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)化位點(diǎn)檢測(cè)[13]。

1.3 適應(yīng)性進(jìn)化分析

目前適應(yīng)性進(jìn)化檢測(cè)常用的方法是在密碼子置換模型下的似然法[18]。這種方法檢測(cè)適應(yīng)性進(jìn)化有3個(gè)模型: 分枝模型、位點(diǎn)模型以及分枝-位點(diǎn)模型。本研究采用“分枝-位點(diǎn)”模型來檢驗(yàn)物種之間的正選擇位點(diǎn)?！胺种?位點(diǎn)”模型[19-20]：將進(jìn)化樹上的支系分成前景支和背景支兩類，對(duì)此允許ω值同時(shí)在分枝和位點(diǎn)間存有差異，并且只允許在前景支上存在ω大于1的位點(diǎn)，因此可以根據(jù)模型A檢驗(yàn)2在前景支上檢測(cè)承受正選擇的氨基酸位點(diǎn)[13]，有更強(qiáng)的檢測(cè)能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 分子系統(tǒng)發(fā)育分析

圖1 基于psbA序列數(shù)據(jù)構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹

①—綠色植物兩大門類在水體環(huán)境中的早期分化；②—綠色植物登陸前后的進(jìn)化過程。

對(duì)于psbA系統(tǒng)發(fā)育樹，選取核苷酸進(jìn)化模型GTR+I+G，并且計(jì)算bootstrap值(圖1)，通過psbA的系統(tǒng)發(fā)育樹可以看出，中斑藻綱和綠疊球藻綱是鏈形植物門綠藻中最早分化的類群。Wodniok等人[9]認(rèn)為最接近陸生植物的是雙星藻綱和輪藻綱，從進(jìn)化樹可以認(rèn)為我們的研究符合他們的結(jié)果。對(duì)于一直存在爭議的苔蘚綱，我們的研究支持Goremykin和Marin認(rèn)為的苔蘚綱是一個(gè)單系群的觀點(diǎn)[21-22]。

rbcL進(jìn)化樹同樣選取核苷酸進(jìn)化模型GTR+I+G，并且計(jì)算bootstrap值(圖2)。Finet等人[8]和Wodniok等人[9]認(rèn)為最接近陸生植物的類群是鞘毛藻綱，從rbcL的系統(tǒng)發(fā)育樹(圖2)可以看出我們的研究支持Finet等人的結(jié)果。從進(jìn)化樹中同樣可以看出苔蘚綱是一個(gè)單系群，中斑藻綱和綠疊球藻綱是鏈形植物門綠藻中最早分化的類群，這些結(jié)果同樣支持psbA的結(jié)果。

最后，對(duì)于rca核苷酸進(jìn)化模型為GTR+I+G，計(jì)算的bootstrap值如圖3。由于目前的研究比較少，在數(shù)據(jù)庫中能獲取的基因比較缺乏，本研究中的類群為目前所能查找到的關(guān)于rca的所有類群的基因。從圖3中可以看出，最接近陸生植物的類群是雙星藻綱或者鞘毛藻綱，這與Wodniok等人[9]的文章結(jié)果相一致。從我們的研究可以總結(jié)出，最接近陸生植物的類群是鞘毛藻綱。

圖2 基于rbcL序列數(shù)據(jù)構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹

①—綠色植物兩大門類在水體環(huán)境中的早期分化；②—綠色植物登陸前后的進(jìn)化過程。

2.2 正向選擇位點(diǎn)的檢測(cè)與定位

根據(jù)Timme和Delwiche[23]的結(jié)果Spirogyra和Coleochaete是鏈形植物門綠藻中更接近陸生植物的類群。本研究選擇Spirogyrapratensis的序列作為參考序列，來確定正選擇位點(diǎn)在序列上的位置。

圖3基于rca序列數(shù)據(jù)構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹

①—綠色植物兩大門類在水體環(huán)境中的早期分化；②—綠色植物登陸前后的進(jìn)化過程。

2.2.1psbA基因的正向選擇分析

表1是我們利用“分枝-位點(diǎn)”模型對(duì)植物psbA基因正選擇位點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果。在這個(gè)模型中，只有前景支為綠藻門(如圖1-①)時(shí)存在正選擇位點(diǎn)，而前景支為綠藻(如圖1-②)時(shí)未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)上顯著的正選擇位點(diǎn)。在基因序列中，有2.71%的位點(diǎn)經(jīng)歷了正選擇，卡方檢驗(yàn)表明該結(jié)果有顯著意義(P<0.0001)，而經(jīng)驗(yàn)貝斯(BEB)方法顯示了正選擇的顯著位點(diǎn)：118S、151S、196S、248S和293S。

以Spirogyrapratensis的psbA基因?qū)DB數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索，結(jié)果以藍(lán)藻的光系統(tǒng)Ⅱ三維結(jié)構(gòu)(PDB ID: 1W5C)的得分最高，二者序列一致性為91%，符合同源建?？煽啃砸蟆Ｕx擇的氨基酸位點(diǎn)的空間位置如圖4所示。在這8個(gè)正選擇位點(diǎn)中，196S位于α螺旋內(nèi)，118S、151S、248S和293S則位于β折疊上。

圖4 Spirogyra psbA 正選擇位點(diǎn)的空間位置

通過三維結(jié)構(gòu)模型，對(duì)“分枝-位點(diǎn)”模型檢測(cè)出的正選擇位點(diǎn)進(jìn)行功能定位。在這些位點(diǎn)中，位點(diǎn)118S、151S是CP43的結(jié)合位點(diǎn)，CP43是光系統(tǒng)Ⅱ的核心天線，除了能將外周天線葉綠素a/b結(jié)合蛋白捕獲的激發(fā)能匯集給反應(yīng)中心外，還具有維持光系統(tǒng)Ⅱ放氧復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，參與水裂解放氧等功能，還推測(cè)可能具有蛋白酶的功能[24]。位點(diǎn)196S是D1蛋白的光反應(yīng)中心信號(hào)，活性區(qū)域的氨基酸決定了酶的催化效率。248S是次級(jí)電子受體質(zhì)體醌的結(jié)合部位，質(zhì)體醌不僅在電子傳遞過程中參與能量的傳遞，而且在光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)Ⅱ光能分配方面起著重要的作用。293S是細(xì)胞色素b559結(jié)合部位，該位點(diǎn)目前推測(cè)的主要功能是保護(hù)光系統(tǒng)Ⅱ免遭光破壞[25]。

表1psbA在“分枝-位點(diǎn)”模型下的參數(shù)估計(jì)值和對(duì)數(shù)似然值

Table 1 Parameter estimates and log-likehood values forpsbAgene under “branch-site” model

P* 表示ω分布所用的參數(shù)數(shù)目；在95%和99%后驗(yàn)概率下推測(cè)出的正選擇位點(diǎn)分別由黑體和斜體寫出；下同。

2.2.2rbcL的正向選擇分析

利用“分枝-位點(diǎn)”模型對(duì)植物rbcL正選擇位點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果見表2。在該模型中，前景支為綠藻門(如圖2-①)時(shí)，發(fā)現(xiàn)序列存在正選擇位點(diǎn)，前景支為綠藻(如圖2-②)時(shí)未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)上顯著的正選擇位點(diǎn)。在此模型中，rbcL中有1.63%的位點(diǎn)經(jīng)歷了正選擇，卡方檢驗(yàn)表明該結(jié)果有顯著意義(P<0.05)，而經(jīng)驗(yàn)貝斯(BEB)方法顯示了正選擇的顯著位點(diǎn)：32M、158P、269S、316I、339L、381T和389I。

通過數(shù)據(jù)庫尋找的相似度最高的序列為菠菜Rubisco三維結(jié)構(gòu)(PDB ID: 1AA1)的得分最高，二者序列一致性為93%，通過Swiss-PdbViewer 4.0.1軟件[26]構(gòu)建的蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)如圖5。除了位點(diǎn)32M位于β折疊外，其余的8個(gè)正選擇位點(diǎn)158P、269S、316I、339L、381T及389I則位于rbcL羧基末端的α/β桶結(jié)構(gòu)域內(nèi)。

對(duì)已有的Rubisco的結(jié)構(gòu)研究表明，Rubisco大亞基由羧基末端的α/β桶結(jié)構(gòu)域與與之相鄰的另一個(gè)大亞基的氨基末端結(jié)構(gòu)域共同構(gòu)成Rubisco活性中心[27]。除位點(diǎn)32M外，158P、269S、316I、339L、381T和389I這些位點(diǎn)均位于Rubisco大亞基的活性中心內(nèi)，催化中心區(qū)域的氨基酸決定了催化效率。對(duì)于位點(diǎn)32M，有研究顯示該氨基酸的突變會(huì)明顯影響酶同CO2/O2的結(jié)合的特異性以及同氧氣的結(jié)合量，從而影響酶的催化效率[28]。位點(diǎn)269S側(cè)鏈較短，能為活性中心留有更大的空間，為催化的進(jìn)行作了保證[29]。位點(diǎn)316I位于βH折疊區(qū)內(nèi)，異亮氨酸可能與周圍其他的氨基酸形成氫鍵，有研究證明βH空間位置的變化可能與植物對(duì)生境的適應(yīng)相關(guān)[30]。

圖5 Spirogyra rbcL 正選擇位點(diǎn)的空間位置

2.2.3rca的正向選擇分析

植物rca正選擇位點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果見表3。在此模型中，前景支為綠藻門(如圖3-①)時(shí)，發(fā)現(xiàn)序列存在正選擇位點(diǎn)而當(dāng)前景支為綠藻(如圖3-②)時(shí)卻未發(fā)現(xiàn)明顯的正選擇位點(diǎn)。rca中有2.60%的位點(diǎn)經(jīng)歷了正選擇，卡方檢驗(yàn)表明該結(jié)果有顯著意義(P<0.05)，而經(jīng)驗(yàn)貝斯(BEB)方法顯示了正選擇的顯著位點(diǎn)：118S、143K、193K、194E、204C、243Q和153E。

通過PDB數(shù)據(jù)庫，相似度最高的是煙草Rubisco活化酶三維結(jié)構(gòu)(PDB ID: 3T15)，二者序列一致性94%，通過Swiss-PdbViewer 4.0.1軟件構(gòu)建的蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)如圖6所示。在這7個(gè)正選擇位點(diǎn)中，位點(diǎn)193K、194E、204C和243Q位于α螺旋內(nèi)，而位點(diǎn)118S、143K和153E則位于β折疊上。

Rubisco作為光合碳同化的關(guān)鍵酶，其活性高低直接影響光合速率，而Rubisco必須經(jīng)Rubisco活化酶活化后才具有催化活力。Rubisco活化酶是一種核編碼的葉綠體蛋白，在ATP參與下，生理濃度的CO2以及Mg2+結(jié)合作用下使Rubisco達(dá)到最大的活化程度。Rubisco活化酶作為Rubisco的分子伴侶，可促進(jìn)和穩(wěn)定Rubisco催化活性，在植物光合作用對(duì)溫度的響應(yīng)中發(fā)揮重要作用，同時(shí)它具有ATP酶的活性，能水解ATP、ATP/ADP的比率對(duì)該酶具有重要的調(diào)節(jié)作用，位點(diǎn)143K位于ATP酶活性位點(diǎn)區(qū)域。至于其它檢測(cè)到的正選擇位點(diǎn)的功能則尚需進(jìn)一步地研究。

綜上所述，在我們的研究中，綠藻門和鏈形植物門綠藻雖都在水生環(huán)境中，但是它們的光合作用相關(guān)基因發(fā)生了明顯變化，而且檢測(cè)到了顯著的正選擇痕跡，然而植物從水生到陸生環(huán)境的進(jìn)化中，這些基因卻沒有發(fā)現(xiàn)明顯的正選擇痕跡。

圖6 Spirogyra rca 正選擇位點(diǎn)的空間位置

3 討論

為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和一致性，我們把一些低質(zhì)量的過短序列舍去，將最終選擇的序列構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(圖1、圖2和圖3)，這3個(gè)基因構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹基本與目前的研究結(jié)果相一致，同時(shí)從我們的研究中可以發(fā)現(xiàn)輪藻綱是最接近陸生植物的類群。

附表1 植物材料及其psbA GenBank登錄號(hào)

附表2 植物材料及其rbcL GenBank登錄號(hào)

附表3 本研究所用植物材料及其rca GenBank登錄號(hào)

與以往的研究實(shí)例類似，本文采用PAML“分枝-位點(diǎn)”模型對(duì)植物的早期進(jìn)化進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)化分析。Rodriguez-Trelles等人[31]運(yùn)用此模型檢測(cè)動(dòng)物和植物分化之前的一些早期真核生物的進(jìn)化。在研究被子植物分化之前的陸生植物的進(jìn)化分析也采用該模型[32]。Alba等人[33]采用該模型檢驗(yàn)了被子植物中光敏色素基因的適應(yīng)性進(jìn)化。PAML“分枝-位點(diǎn)”模型不僅可以用于研究高等植物適應(yīng)性進(jìn)化分析，而且在藻類中同樣適用。Young等人[34]通過PAML“分枝-位點(diǎn)”模型檢測(cè)紅藻和Chromista中Rubisco大亞基的適應(yīng)性進(jìn)化；秦松等人[35]還通過該模型研究紅藻和藍(lán)藻基因發(fā)現(xiàn)正選擇壓力而不是功能松弛促使藻紅蛋白基因的進(jìn)化；證明藍(lán)藻藻膽蛋白在基因復(fù)制的過程中存在著適應(yīng)性進(jìn)化同樣采用“分枝-位點(diǎn)”模型[36]。在Yang和Nielsen[37]原先的模型中，Zhang[38]在一項(xiàng)模擬研究中發(fā)現(xiàn)這些檢驗(yàn)對(duì)其基本模型很敏感，且當(dāng)模型假定違背時(shí)還可能導(dǎo)致很高的假陽性。本文采用改進(jìn)的模型[19]，這個(gè)模型已經(jīng)很大程度降低了假陽性率。

植物處在不同的生活環(huán)境下會(huì)發(fā)生不同的適應(yīng)性進(jìn)化[39]。Wissler等人[12]通過對(duì)兩株具有直系同源基因的海草與8株陸生被子植物近親進(jìn)行適應(yīng)性進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，從陸生到水生過程中，海草中的基因相對(duì)于陸生被子植物發(fā)生了適應(yīng)性進(jìn)化。而在我們的研究中，綠藻門和鏈形植物門綠藻雖都生活在水生環(huán)境中，雖然環(huán)境未發(fā)生明顯變化，但是它們的光合作用相關(guān)基因發(fā)生了很明顯變化，而且檢測(cè)到了正選擇位點(diǎn)。然而植物從水生到陸生環(huán)境的進(jìn)化中，環(huán)境變化差異比較大，新的陸生環(huán)境會(huì)對(duì)植物造成很強(qiáng)的選擇壓力[40]，這些基因卻沒有發(fā)現(xiàn)明顯的正選擇痕跡，這是一個(gè)值得深思的問題。但是與常規(guī)相悖不一定就代表論據(jù)有問題。然而Prochnik等人[41]對(duì)團(tuán)藻的基因組進(jìn)行測(cè)序后，通過對(duì)萊茵衣藻與團(tuán)藻的基因組進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，雖然這兩株藻的復(fù)雜程度和生命史存在很大差異，但是二者的基因組卻有近似的蛋白編碼潛能。與萊茵衣藻相比，研究者在團(tuán)藻基因組內(nèi)只發(fā)現(xiàn)了很少該生物特有的基因。因此有時(shí)候跟人們主觀推測(cè)中基因或基因組的變化關(guān)系不大。由于本研究中的植物登陸過程中光合作用相關(guān)的基因并未檢測(cè)到顯著的正選擇痕跡，我們猜測(cè)可能是一些非光合作用的基因幫助植物實(shí)現(xiàn)了從水生到陸生的進(jìn)化，或者PAML的算法可能仍然存在某些缺陷。本研究涉及到的植物登陸相關(guān)類群的基因數(shù)據(jù)仍然比較缺乏，尤其是rca，我們期待有更多的數(shù)據(jù)支持來驗(yàn)證我們的假說。

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Adaptive evolution of photosynthesis-related genes during plants colonizing terrestrial habitat

LI Xue-qin1, WANG Yin-chu2, CUI Yu-lin3, QIN Song2, HU Zhang-li1

(1. School of Biology Science, Shenzhen University, Shenzhen 518060; 2. Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China)

The ancestors of modern land plants colonized the terrestrial habitat about 500 to 470 million years ago, this is an important event in the history of life on earth. Illumination is not only the primary energy for plants, but also the main environmental information sources. It is widely accepted that the higher efficiency of photosynthesis, the stronger ability of plants to adapt the environment. When plants began to colonize the terrestrial habitat, their environment significantly changed, such as illumination, light intensity and the concentration ratio of carbon dioxide and oxygen just like seagrasses went back to the sea. Therefore, we hypothesize that there are evidences for adaptive evolution of photosynthesis-related genes in plants. To test this hypothesis, detection of adaptive evolution was performed onpsbA,rbcL,rcagenes using PAML′s "site-branch" model. As a result, no significant evidence of positive selection of these three genes was detected in the plant colonization, whereas there was remarkable divergence betweenChlorophytaandStreptophyta. This amazing result implies that environmental changes during plants colonizing the terrestrial habitat may have few influences on photosynthesis-related genes. Genes related to other functions like cuticle and stomatal apparatus played important roles in this course.

plant;psbAgene;rbcLgene;rcagene; positive selection; environment changes; adaptive evolution

2014-04-15；

2014-04-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41176144，41376139)；國家科技支撐計(jì)劃(2013BAB01B01);中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA1102040300)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(20120527)

李雪芹，碩士，專業(yè)方向?yàn)樯锘瘜W(xué)與分子生物學(xué)，E-mail：lxq821991024@126.com；

秦 松，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事藻類資源高價(jià)值利用研究，E-mail：sqin@yic.ac.cn； 胡章立，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事藻類學(xué)分子生物學(xué)方面的研究，E-mail：huzl@szu.edu.cn。

Q945.11

A

2095-1736(2015)01-0059-08

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2015.01.059