The Plant Cell | 顺式调控元件之间相互作用的改变部分解决了红荠中BLADE-ON-PETIOLE的基因冗余

2024年8月23日 0条评论 108次阅读 0人点赞
长期以来，基因复制一直被认为是生物演化出具有新功能基因的驱动力。当基因在生物体内复制时，通常会生成多个基因拷贝。这些新的基因拷贝可以在不影响原始基因功能的情况下积累突变，从而可能获得新的功能或者调控特性。基因复制通常会导致基因冗余，即多个拷贝的基因可以执行相似的功能。这种冗余提供了一种“进化缓冲”，允许一个或多个基因拷贝在发生突变时不会立即影响生物体的生存。复制得到的基因拷贝也可能会经历不同的突变积累，从而发展出新的功能。这种功能分化可以使生物体适应新的环境或生态位。有时候，部分基因拷贝会丧失功能（变为假基因），而其他拷贝则可能获得新的功能或在新的生物学过程或条件下变得重要。新获得的功能基因可以受到自然选择的影响，增加生物体的适应性。成功的功能变异可以在种群中固定下来，从而推动生物的进化。
在被子植物的进化历史中，全基因组复制和大规模片段复制是主要的基因组重组事件。这些事件产生了大量的重复基因，为植物提供了基因功能的冗余和进化的潜力。这些重复基因可以通过突变、选择和功能分化，推动植物适应环境变化和生态位的变化。因此，植物基因组中的重复基因为研究基因功能的进化提供了丰富的素材。DDC模型提供了一个框架，用于理解基因复制后的功能变化，包括退化和互补的过程。尽管在表达模式上的变化可以作为亚功能化的指标，但要确定这些变化是否实际反映了亚功能化，以及这些变化的具体分子机制，仍然面临挑战。这些挑战在植物研究中尤为明显，限制了对重复基因进化的深入理解。
真核生物的启动子具有模块化结构，包括多种顺式调控元件，这些元件定义了基因表达的不同方面。亚功能化往往发生在这些调控层面，通过对调控元件的突变导致不同的表达模式。保守非编码序列（CNSs）作为潜在的调控模块，可能在重复基因的亚功能化过程中经历突变，这些突变影响基因表达的调控网络，进而导致基因功能的演化和分化
近日，德国 University of Potsdam的Michael Lenhard团队在国际知名杂志The Plant Cell发表了题为“Altered interactions between cis-regulatory elements partially resolve BLADE-ON-PETIOLE genetic redundancy in Capsella rubella”的研究文章。作者对拟南芥（Arabidopsis thaliana）与红荠（Capsella rubella）中两个BLADE-ON-PETIOLE（BOP）基因（BOP1和BOP2）功能差异的研究。在拟南芥中，BOP1和BOP2这两个基因几乎完全冗余。红荠中，BOP1和BOP2之间的冗余性部分丧失，它们在功能上不再完全互补。

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作者通过将BOP1和BOP2基因转入拟南芥的atbop1 atbop2双突变体中，来检验这些转基因是否能恢复突变体的野生型表型（如苞片的形成和花器官的数量）。作者还通过对内源AtBOP1启动子进行删除实验，以研究启动子的不同区域在控制BOP1表达的作用。在红荠中，BOP1和BOP2的差异冗余性是由于CrBOP1中多个顺式调控元件的变化。这些变化导致了CrBOP1在苞片原基区域的表达减少，使得CrBOP2在该区域主要发挥作用。
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图1. 红荠（Capsella rubella）bop突变体在花序、叶片和花萼脱落的表型
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图7. 删除AtBOP1启动子区域中的多个顺式调控元件（CREs）导致在atbop2-12突变体中出现苞片的形成和花型突变表型
这项研究提供了对植物中冗余丧失和可能的亚功能化早期阶段的分子见解。通过分析顺式调控元件的变化，研究揭示了这些变化如何影响基因表达，从而导致基因功能的调整和冗余性的丧失。这些结果有助于理解基因如何在进化过程中调整其功能，特别是通过调控元件的变化来实现功能的部分丧失或亚功能化。

原文链接：

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koae232/7735998?login=false

文章来源：植物生物技术Pbj

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