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生物固氮是植物重要的進化事件之一。長期以來，生物固氮進化背后的遺傳基礎(chǔ)是研究熱點。有研究發(fā)現(xiàn)，能夠進行根瘤共生固氮的植物分布在固氮分支內(nèi)，而固氮分支分布著固氮植物和非固氮植物。因此，關(guān)于根瘤共生固氮的進化機制存在爭議。根瘤共生固氮的進化研究已取得了進展，但豆科植物根瘤共生固氮進化過程中關(guān)鍵的遺傳創(chuàng)新基礎(chǔ)尚不清楚。近日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、崖州灣國家實驗室研究員田志喜團隊，聯(lián)合中國科學(xué)院院士、崖州灣國家實驗室研究員李家洋團隊，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員謝芳團隊，美國康奈爾大學(xué)教授Jeff J. Doyle團隊，對16個豆科物種和32個非豆科物種進行譜系基因組學(xué)分析，構(gòu)建了48個物種的同源基因簇，發(fā)現(xiàn)了豆科植物根瘤共生固氮進化過程中存在基因獲得、基因丟失和保守基因利用。研究顯示，豆科獲得基因通過基因復(fù)制產(chǎn)生，并在黃酮類相關(guān)合成途徑上富集。其中，豆科獲得的CHI重復(fù)基因經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)變異和根瘤共生固氮功能變異。CHI1B不是重復(fù)基因，而CHI1A可以增強豆科結(jié)瘤。上述研究發(fā)現(xiàn)了黃酮類相關(guān)合成途徑基因復(fù)制和新功能化在豆科植物根瘤共生固氮進化中的作用。相關(guān)成果以Duplication and sub-functionalization of flavonoid biosynthesis genes plays important role in Leguminosae root nodule symbiosis evolution為題，在線發(fā)表在《植物學(xué)報》（英文版）上。進一步，研究顯示，Lateral suppressor（Ls）在非豆科物種中有同源基因而在豆科物種中沒有同源基因，且是豆科丟失的同源基因簇。研究將來自于番茄的Ls基因以及來自于水稻的Ls的同源基因MONOCULM 1（MOC1）和Os7分別在大豆和蒺藜苜蓿中表達，致使其幾乎完全喪失結(jié)瘤能力。研究發(fā)現(xiàn)，Ls、MOC1和Os7可以與NSP2和CYCLOPS互作，降低NSP2/NSP1和CCaMK/CYCLOPS復(fù)合體對NIN基因的轉(zhuǎn)錄激活作用，抑制NIN的表達進而抑制豆科植物結(jié)瘤。研究表明，Ls的丟失是豆科植物根瘤共生固氮所必需的。相關(guān)成果以Loss of?Lateral suppressor?gene is associated with evolution of root nodule symbiosis in Leguminosae為題，在線發(fā)表在《基因組生物學(xué)》（Genome Biology）上。同時，該研究發(fā)現(xiàn)植物保守的組織蛋白酶H蛋白可以與Ls、MOC1和Os7互作，并可以影響豆科植物結(jié)瘤。植物保守基因中，約一半是豆科植物響應(yīng)根瘤菌的差異表達基因，這暗示了植物保守的同源基因簇可以作為通過反向遺傳學(xué)研究根瘤共生固氮的候選基因。研究發(fā)現(xiàn)，豆科植物對根瘤菌共生固氮的適應(yīng)性進化需要植物保守基因、豆科獲得基因、豆科丟失基因，而建立豆科植物根瘤菌共生固氮是上述基因共同作用的結(jié)果。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等的支持。論文鏈接：1、2豆科獲得的CHI1重復(fù)基因在豆科植物根瘤共生固氮中功能分化豆科丟失基因Ls抑制豆科結(jié)瘤