（植物学专业论文）黄槿的gapc基因家族与分子亲缘地理学研究.pdf

中山大学博士学位论文 黄槿的g a p c 基因家族与分子音缘地理学研究 昊令辉 黄槿的g a p c 基因家族与分子亲缘地理学研究 专业：植物学 研究方向：植物分子系统学 博士生：吴令辉 导师：施苏华教授 摘要 黄槿( h i b i s c u st i l i a c e u s ) 作为一种热带亚热带广布的典型半红树植物，是当今 世界红树植物两大分布区( 印度洋一西太平洋区和大西洋一东太平洋区) 中共同捌 有的红树植物之一。本研究选取已在居群内发现足够变异的核基因家族三磷酸 甘油醛脱氢酶基因家族的一个成员作为分子标记，利用亲缘地理学方法，研究全球 主要分布区内黄槿居群的遗传结构、亲缘地理格局及其可能成因。 使用核基因进行系统发育和亲缘地理分析时，要求其最好满足三个条件，即：1 ) 该基因在所研究类群或居群中已显示出足够的变异( 足够变异) ；2 ) 所有比较的序 列必须直系同源( 直系同源) ：3 ) 该基因的进化最好符合中性进化模式( 中性进化) 。 为了找到满足这些条件的核基因并以其作为黄槿亲缘地理学研究的分子标记，我们 用e p i c 和克隆测序方法分离了中国广州和f j 本琉球各1 个黄槿样品的细胞质三磷 酸甘油醛脱氢酶基因( g a p c ) ，序列分析和系统发育分析结果表明，黄槿的g a p c 基因是一个基因家族，至少包含1 0 个成员。 在用通用引物扩增黄槿的g a p c 基因时，我们发现了p c r 介导的重组产物和旁 系同源物，而这些序列会干扰进化分析，因此，在使用基因家族某一成员进行系统 发育和进化分析时，必须注意避免p c r 介导的重组和旁系同源物的干扰。p c r 介 导的重组主要是由扩增过程中的延伸停止造成的，我们发现黄槿d n a 模板二级结 构中明显的茎环或发夹结构与延伸停止密切相关，并发现巢式p c r 能够避免p c r 介导的重组。我们采用下列方法来排除旁系同源物的干扰，即通过构建上述克隆序 列的系统发育树并根据树的叠印来寻找直系同源基因，然后设计特异性内部引物， 黄槿的g a p c 基固家族与分子亲缘地理学研究 吴令辉 与e p i c 扩增引物相结合，利用巢式p c r 扩增f 1 的直系同源摧因片段，用于后续研 究和分析。 按照上述方法，我们找到了一个在黄样居群内和居群间均有足够变异且遵循中 性进化模式的直系同源基因g c 基因家族成员g a p c 4 ( 以下绚称g a p c ) 。将 这一基因的特异性内部引物与通用引物相结合，对6 个地理区域( 中国、同木、中 南半岛、澳火利弧、斯里兰卡和美国) 8 个国家3 1 个黄槿居群共计3 4 7 个个体进行 了巢式p c r 扩增，结果检测到4 5 个单倍型，其中2 0 个为两个以上居群所共有，另 外的2 5 个为各居群的独有单倍型。为两个以上地理区域所共享的1 5 个单倍型中， 有4 个是广布的，且其中2 个的频率都超过了2 0 。 6 个地理区域的黄槿表现出了相似的遗传多样性。除了中国福建和马来半岛南 端外，其他地方的黄槿居群都表现出了很高的遗传多样性。中国福建黄槿居群的极 低遗传多样性可能是由于分布区边缘的奠基者效应造成或者由人工无性繁殖而来， 而马来半岛南端的低遗传多样性i j 能u 音示这些样品采集地的黄梯居群是由人工无性 繁殖而来。 a m o v a 分析显示，黄槿居群的尽r = o 4 9 3 8 9 ，与已报道的一百多种近交植物 的平均尽r 值( o 5 1 0 ) 相当；n ，= o 5 3 2 18 ，浇明虽然在黄槿居群内发现有一些杂 合体存在，但 h x , i 于哈迪一温伯格平衡预期来说，杂合体还是缺乏，纯合体过多，这 与近亲繁殖和以近交为主的植物类似。因此，黄槿的交酣系统可能是以近交为主的。 基因潜系分析表明，黄槿g a p c 单倍型表现出明显的亲缘地理格局。除1 5 个两 个以，卜地理区域所共有的单倍型外，另外的3 0 个译倍型都局限于相对狭小的地理区 域内。马来半岛西海岸与斯罩兰卡的单倍型形成一个独立进化枝。部分中国和日本 的堆倍型【_ 包形成一个与其他单倍型相距较远的独立进化枝，目韩国海滨木槿 ( h i b i s c u sh a m a b o ) 与该枝共享一个频率很高的单倍型。澳大利亚北部和东北部届 群的独有单倍型各自形成一个独立进化枝。美国黄槿各单倍型间的关系也比较近， 而且美国h i b i s c u sp e r n a m b u c e n s i s 的单倍型除了与美国黄槿的一个独有单倍型相对 较近外，与其他所有的单倍型关系都比较远。 m a n t e l 检验结果表明，黄槿g a p c 基因的凡7 遗传距离与地理距离的相关性极 低，表明基因流并非总是局限于相邻的最近居群间。 形成当今黄槿的这种亲缘地理格局的重要原因可能是：在较早以前，具有明显 中山大学博士学位论文 黄槿的g a p c 基因家族与分子亲缘地理学研究 吴夸辉 多态性的黄槿祖先扩散至各地；之后，由于地理隔离而导致其各自独立分化发展， 只有那些地理距离较近且其问没有障碍的黄榉居群问的基因才能顺畅交流。 关键词：黄槿，g a p c 基因家族，p c r 介导的重组，旁系同源，遗传多样性， 遗传结构，亲缘地理结构 i i i 中山太学博士学位论文 黄槿的g a p c 基因家族与分于亲缘地理学研究吴令辉 g a p c g e n e f a m i l ya n dm o l e c u l a rp h y l o g e o g r a p h y q th i b i s c u st i l i a c e u s m a j o r ：b o t a n y r e s e a r c hd i r e c t i o n ：p l a n tm o l e c u l a rs y s t e m a t i c s n a m e ：w ul i n g h u i s u p e r v i s o r ：p r o f s h is u h u a a b s t r a c t h i b i s c u s t i l i a c e u si saw i d e s p r e a da n dw e l l - k n o w nt r o p i c a la n ds u b t r o p i c a ls t r a n d s p e c i e s i ti so n eo fm a n g r o v e st h a ta r ed i s t r i b u t e db o t hi ni n d o - w e s tp a c i f i cr e g i o na n d a t l a n t i c e a s tp a c i f i cr e g i o n i nt h i ss t u d y , o n em e m b e ro f an u c l e a rg e n ef a m i l y , c y t o s o l i c g l y c e r a l d e h y d e 一3 一p h o s p h a t ed e h y d r o g e n a s eg e n e ( g a p 6 3i h m i l y , w h i c hp r o v i d e sh i g h l e v e l so fs e q u e n c ev a r i a t i o nw i t h i np l a n tp o p n l a t i o n s , w a sc o n d u c t e dt oa s s e s sg e n e t i c a r c h i t e c t u r e ，p h y l o g e o g r a p h i cp a t t e r na n di t sp o s s i b l ec a u s e si nht i l i a c e u sf r o mm o s to f i t sr a n g e s a tl e a s tt h r e ei m p o r t a n tc r i t e r i as h o u l db em e tw h e nu s i n gan u c l e a r g e n e t o r e c o n s t r u c tp h y l o g e n e t i ct r e e si np h y l o g e n e t i ca n d p h y l o g e o g r a p h i cs t u d y ：1 ) t h en u c l e a r g e n eh a se x h i b i t e da d e q u a t ev a r i a t i o n sa m o n go rw i t h i nt a x ai n v e s t i g a t e d ；2 ) a l lt h e c o m p a r e ds e q u e n c e sm u s tb eo r t h o l o g si nd i f f e r e n ts p e c i e so rp o p u l a t i o n s ；a n d3 ) t h e s e l e c t e dg e n es h o u l d f o l l o wt h en e u t r a le v o l u t i o nm o d e l i no r d e rt of i n dag e n et h a t m e e t st h e s ec r i t e r i at o s t u d y t h e p h y l o g e o g r a p h yo fht i l i a c e u s e x o n - p r i m e d i n t r o n - c r o s s i n g ( e p i c ) a n dc l o n i n gs e q u e n c i n gw e r eu s e dt oi s o l a t ea n dc h a r a c t e r i z et h e g a p c sf r o mo n ec h i n e s ea n do n ej a p a i l e s eht i l i a c e u si n d i v i d u a l s s e q u e n c ea l i g n m e n t s a n dp h y l o g e n e t i ca n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h eg a p cw a sag e n ef a m i l yi nht i l i a c e u s i n c l u d i n ga tl e a s t10m e m b e r s p c r - m e d i a t e dr e c o m b i n a n t sa n d p a r a l o g s w e r eo b s e r v e dw h e n g a p c sw e r e 中山是学博士学住论文 黄槿的g a p c 基固牵缦与分子录缘地理学研完 昊令辉 a m p l i f i e du s i n gu n i v e r s a lp r i m e r si nht i l i a c e u s u n r e c o g n i z e da r t i f a c t u a lr e c o m b i n a n t p r o d u c t sa n dp a r a l o g sm a yb i a sr e s u i t so ra l t e ri n t e r p r e t a t i o n si ne v o l u t i o n a r ys t u d i e s ，s o g r e a tc a r em u s tb et a k e nt oa v o i dc m n p a r i n gp a r a l o g sa n dt oe l i m i n a t et h ei n t e r t l e r e n c eo f a r t i f a c l u a lr e c o m b i n a n t sw h e nt h en u c l e a rm a r k e r sa r eu s e d w ef o u n dt h a t p c r - m e d i a t e dr e c o m b i n a t i o na r o s ep r i m a r i l yd u et ot h ep r e s e n c eo fi n c o m p l e t e l y e x t e n d e dp c rp r o d u c t sa n dt h er e c o m b i n a n tr e g i o n sa p p e a r e dt ob ec o r r e l a t e dw i t h s e c o n d a r ys t r u c t u r e so fd n at e m p l a t e s w eu s e dn e s t e dp c r t os u p p r e s sp c r m e d i a t e d r e c o m b i n a t i o n i no r d e rt oa v o i du s i n gt h ep a r a l o g s ，w er e c o n s t r u c t e dt h ep h y l o g e n i e so f c l o n e d s e q u e n c e sm e n t i o n e d a b o v ea n dd e t e r m i n e dt h eo r t h o l o g sa c c o r d i n gt ot h e s u p e r i m p o s i t i o no fp h y l o g e n i e s ，a n dt h e np e r f o r m e dn e s t e dp c r t oa m p l i 母t h es e l e c t e d o r t h o l o g sc o m b i n i n gd e s i g n e ds p e c i f i ci n n e rp r i m e r sa n d t h ee p i cp r i m e r s a c c o r d i n gt ot h ep r o c e d u r e ，w ef o u n dam e m b e ro fg 叩cg e n ef a m i l y g a p c 4 ( g a p c f o rs h o r th e r e a f t e r ) t h a tm e tt h et h r e ec r i t e r i am e n t i o n e da b o v e u s i n gas p e c i f i c i n n e rp r i m e rp a i l 。a sw e l la st h eu n i v e r s a ip r i m e r , w ec o n d u c t e dn e s t e dp c rt oa m p l i f y t h i sg e n ef r o m3 4 7s a m p l e s r e p r e s e n t i n g31 p o p u l a t i o n sf r o m8c o u n t r i e si n6r e g i o n s ( c h i n a ，j a p a n ，l n d o c h i n ap e n i n s u l a ，a u s t r a l i a ，a n du s a ) o f 4 5i d e n t i f i e dh a p l o t y p e s ，2 0 o c c u ri nt w oo rm o r ep o p u l a t i o n s ，t h er e s t2 5h a p l o t y p e sw e r ep r i v a t eh a p l o t y p c s a m o n g 15h a p l o t y p e sp r e s e n ti nt w oo rm o r er e g i o n s ，4w e r ed e t e c t e di nm o s tr e g i o n si n v o l v e d ， w i t hh i g hf r e q u e n c i e s o u to ft h e4m o s tw i d e s p r e a dh a p l o t y p e s ，2w e r em o r et h a n2 0 i nf r e q u e n c y i nht i l i a c e u s t h el e v e l so fg e n e t i cd i v e r s i t yw e r es i m i l a ri n6r e g i o n s a l l p o p u l a t i o n ss h o w e dh i g hl e v e l so fg e n e t i cd i v e r s i t ye x c e p t2p o p u l a t i o n si nf u j i a nf r o m c h i n aa n d4p o p u l a t i o n sf r o mm a l a y s i aa n ds i n g a p o r e e x t r e m e l yl o wl e v e l so fg e n e t i c d i v e r s i t yi nf u j i a np o p u l a t i o n sm i g h tb ec a u s e db yf b u n d e re f f e c ti nm a r g i n a lr e g i o n s ，o r r e s u l t e df r o ma r t i f i c i a la s e x u a lr e p r o d u c t i o n ，w h i l el o wl e v e l so fg e n e t i cd i v e r s i t yi n m a l a y s i aa n ds i n g a p o r ep o p u l a t i o n ss a m p l e dw e r ed u el i k e l y t oa r t i f i c i a la s e x u a l r e p r o d u c t i o n a m o v ar e v e a l e df s ri nht i l i a c e u sp o p u l a t i o n sw a so 4 9 3 8 9 ，c o n s i s t e n tw i t h a v e r a g e 咫，( o 510 ) f r o mm o r et h a no n eh u n d r e di n b r e e d i n gp l a n t s m o r e o v e r ，t h er e s u l t t h a tf i s 5 3 2 1 8 1i nht i l i a c e u sp o p u l a t i o n sw a sf a rm o r et h a nz e r os u g g e s t e dt h a tt h e v 中山是学博士学位论文 黄槿的g a p c 基固家碡与分干亲缘地理学研究 吴夸辉 h e t e r o z y g o t e sw e r ed e f i c i e n t ，a n dh o m o z y g o t e s w e r ee x c e s s i v e ，c o m p a r e dt ot h e e x p e c t a t i o nu n d e rh a r d y - w e n b e r ge q u i l i b r i u m s ow es u g g e s t e dht i t i a c e u ss h o u l db ea p r e d o m i n a n t l yi n b r e e d i n gp l a n t as i g n i f i c a n t p h y l o g e o g r a p h i cp a t t e r n w a so b s e r v e df r o mht i l i a c e u sg a p c h a p l o t y p e s o f4 5h a p l o t y p e s ，4h a p l o t y p e sw e r ew i d e s p r e a di na l lt h er e g i o n s ，11 w e r e d i s t r i b u t e di nm o r et h a nt w or e g i o n s ，3 0h a p l o t y p e so c c u r r e di nt w oa d j a c e n tr e g i o n so r w i t h i no n er e g i o n t h ep r i v a t eh a p l o t y p e sb e l o n g i n gt os r il a l l l ( ao rw e s tc o a s to f t h a i l a n df e l li n t oac l a d e p a r t i a lh a p l o t y p e so fc h i n aa n dj a p a nf o r m e da n o t h e rc l a d e t h a tw a sd i s t i n c tf r o mo t h e rh a p l o t y p e s ，a n dh i b i s c u sh a m a b of r o mk o r e as h a r e da h a p l o t y p ew i t hh i g hf r e q u e n c yi n t h i sc l a d e t h eh a p l o t y p e su n i q u et on o r t ha u s t r a l i a f o r m e dac l a d ea n dt h o s eu n i q u et on o r t h e a s ta u s t r a l i af o r m e da n o t h e rc l a d e t h e h a p l o t y p e s i nu s aht i l i a c e u sw e r ec l o s e l yr e l a t e d ，a n das i n g l e t o ni nh b i s c u s p e r n a m b u c e n s i sf r o mu s aw a sr e l a t i v e l yc l o s et oo n eu s ap r i v a t eh a p l o t y p ei nh t i l i a c e u s m a n t e lt e s t ss h o w e dg e n e t i cd i s t a n c e s ( 尽力a n dg e o g r a p h i cd i s t a n c e sw e r ep o o r l y c o r r e l a t e d ，w h i c hs u g g e s t e dt h a tg e n ef l o wk v a s n o ta l w a y sc o n f i n e dt ot h en e a r e s t n e i g h b o r i n gp o p u l a t i o n s t h ep r e s e n tp h y l o g e o g r a p h i cp a t t e r no fh t i l i a c e u sw a sd u el a r g e l yt od i s p e r s a lo f a n c e s t r a lp o l y m o r p h i s mi nr e m o t ea n t i q u i t y , a n dm u l t i p l ev i c a r i a n c ea td i f f e r e n tr e g i o n s l a t e r a l t e rs e p a r a t i o no f p r o g e n i t o r so f ht i l i a c e u s ，p o p u l a t i o n se v o l v e di n d e p e n d e n t l ya t d i f f e r e n tp l a c e sb e c a u s eo fi s o l a t i o n s ，o n l yt h en e a rp o p u l a t i o n sw i t h o u tg e o g r a p h i c b a r r i e r sa l l o w e dg e n ef l o wb e t w e e nt h e m k e yw o r d s ：h i b i s c u st i l i a c e u s ，g a p cg e n ef a m i l y , p c r - m e d i a t e dr e c o m b i n a t i o n ， p a r a l o g y , g e n e t i cd i v e r s i t y , g e n e t i cs t r u c t u r e ，p h y l o g e o g r a p h i cs t r u c t u r e v i 中山大学博士学位论文 黄槿的g a p c 基固家族与分子亲缘地理学研究 第一章引言 1 文献综述 1 1 植物基因家族研究概况 1 1 1 基因家族简介 真核基因组的重要特点之一就是存在大量的基因家族( g e n ef a m i l y ) 。所谓基因 家族或多基因家族( m u l t i g e n ef a m i l y ) ，是指一个基因组中属于某一群重复序列的所 有基因的总和( l ia n dg r a u r ，1 9 9 1 ) ，或者说是来源于同一个祖先基因、具有高度 序列相似性、编码不同蛋白质的一组基因( l a c k i ea n dd o w , 1 9 9 9 ) 。一般认为，基 因家族是通过基因重复( g e n ed u p l i c a t i o n ) 后，发生基因的不等交换( u n e q u a lc r o s s i n g o v e r ) 、基因转变( g e n ec o n v e r s i o n ) 和其他一些不合逻辑的重组( r e c o m b i n a t i o n ) 及随后的自然选择( n a t u r a ls e l e c t i o n ) 而产生的( o h t a ，2 0 0 0 ) 。 一个基因家族的成员通常成簇地分布在某一条染色体上，它们可同时发挥作用， 合成某些蛋白质，如人的组蛋白基因家族就成簇地集中在第7 号染色体长臂3 区2 带到 3 5 5 6 带区域内；但也有分散的，甚至分布于不同染色体上，这些不同成员编码一组 功能上紧密相关的蛋白质，如人珠蛋白基因家族。在基因家族中，某些基因并不编 码有功能的产物，这些基因称为假基因( p s e u d o g e n e ) ( j a c qe ta l ，1 9 7 7 ：g i b s o n ， 1 9 9 4 ：z h a n ga n dg e r s t e i n ，2 0 0 4 ) 。假基因与有功能的基因同源，原来可能也是有功 能的，但由于缺失、倒位或点突变等，使其失去活性，成为无功能基因( l ia n d g r a u r ， 1 9 9 1 ：g i b s o n ，1 9 9 4 ；z h a n ga n dg e r s t e i n ，2 0 0 4 ) 。 根据基因家族的不同情形，目前可将其分为三种类型，即简单多基因家族、复 杂多基因家族和由发育阶段控制的多基因家族( 阎隆飞和张玉麟，1 9 9 7 ) 。简单多基 因家族中各成员的基因结构是相同的，基因家族成员间通常由中度重复序列隔开， 如5 sr r n a 基因家族。复杂多基因家族各成员并不都相同。如海胆和果蝇的五个组 蛋白基因构成一个复杂的多基因家族，这五个组蛋白基因作为一个单位可重复多达 近千次，每个基因单独按一定方向转录；又如果蝇的t r n a 基因是由多种不同氨基酸 的t r n a 基因集中在一起而构成的复杂多基因家族。由发育阶段控制的多基因家族 中，比较典型的是人类珠蛋白基因家族( 阎隆飞和张玉麟，1 9 9 7 ；l e w i n ，2 0 0 4 ) 。 黄槿的g a p c 基因幂族与分子亲缘地理学研究吴令辉 基因家族内的基冈数目变化很大。有的基因仅在基因组内重复几次，它们被称 为轻度重复基因( 1 0 w l yr e p e t i t i v eg e n e ) ，而另一些则ir j 请在基因组中上百次地重复， 这些基因被称为高度重复基因( h i g h l yr e p e t i t i v eg e n e ) ( l ia n d g r a u r ，1 9 9 1 ) 。例如， 三磷酸 | 油醛脱氢酶( g l y c e r a l d e h y d e 3 一p h o s p h a t ed e h y d r o g e n a s e ，g a p d h ) 基因， 在玉米( r u s s e l la n ds a c h s ，1 9 8 9 ，1 9 9 1 ；b r i n k m a n ne ta 1 ，1 9 8 9 ) 、拟南芥( m a r “ a 1 ，2 0 0 5 ) 等植物中仅发现有几个基因家族成员，也就是晚在这些植物的基因组中 只发生了极少数几次基因重复。到目前为止，细胞质三磷酸甘油醛脱氢酶基因 ( c y t o s o l i cg l y c e r a l d e h y d e 一3 一p h o s p h a t ed e h y d r o g e n a s eg e n e ，g a p c ) 在整个植物界 也只检测到有七次基因重复发生( p e t e r s e ne l a l ，2 0 0 3 ) 。而在动物中则相差很大， 如鸡基因组中只检测到一个g a p d h 基因，但在大鼠和小鼠基因组中则检测到了超 过2 0 0 个甚至认为有3 0 0 4 0 0 个g a p d h 基因拷贝( p i e c h a c z y kp ，1 9 8 4 ：y s op ，d ， 1 9 8 5 ) 。 由于历史的局限，主要是技术限制，大部分基因及其产物通常都是作为一个单 一的实体来研究的。在后基因组时代，随着海量基因序列及e s t 序列的获得，人们 逐渐认以到，大多数基冈都不是单基因( s i n g l e t o n ) 而是作为基冈家族( g e n ef a m i l y ) 的成员存在的。例如，在模式植物拟南芥( a r a b i d o p s i st h a l i a n a ) 和水稻( o r y z as “t i v “ l s s p j a p o n i c a 和o r y z as a t i v als s p i n d i c a ) 全基因组序列洲序完成之后，研究人员 利用这些基因组数据构建了部分基因家族的图谱，预测拟南芥中2 5 ，4 9 8 个基因可分 成1 l ，6 0 1 个不同的基因群( a r a b i d o p s i sg e n o m ei n i t i a t i v e ，2 0 0 0 ) ，而水稻o r y z 口s 日t i v d l s s p j a p o n i c a 中大约4 0 ，0 0 0 个基凶可分成约1 5 ，0 0 0 个离散的基因家族( g o f f e t “ ， 2 0 0 2 ) ，水稻o r y z as a t i v al s s p i n d i c a 的大约4 6 ，0 2 2 5 5 ，6 1 5 个基因中，大部分也以 基因家族的形式存在( y ue la t ，2 0 0 2 ) 。此外，还有研究人员预测，在拟南芥基凼 组中，6 5 的基因属于基因家族，只有3 5 n 单基因，而且有3 7 4 的基因属于具 有5 个以上成员的基因家族( y u e l a l ，2 0 0 2 ：s a p p lg ， ，2 0 0 4 ) 。 将基因归入其各自的家族是迈向基因组全面注释的重要一步( d a y h o f f , 1 9 7 6 ) 。 理论上来说，基因家族的界定需要用大量参数，但通常都是看基因一级序列的同一 性和共有的功能基元或结构域( w ue l a l ，2 0 0 3 ) 。 到目前为止，三磷酸甘油醛脱氢酶基因作为一个基因家族已在人、动物、植物 和微生物中检测到。例如，1 9 8 4 年，研究人员分离到了人和老鼠g a p d h 基因的 中山大学博士学位论文黄槿的g a p c 基因家族与分子亲缘地理学研究 吴令辉 c d n a 克隆，结果发现，g a p d h 基因是一个复杂的多基因家族，尤其在老鼠基因 组中，至少有2 0 0 个家族成员( h a n a u e ra n dm a n d e l ，1 9 8 4 ；b e n h a me ta 1 ，1 9 8 4 ； p i e c h a c z y ke ta 1 ，1 9 8 4 ) 。且p i e c h a c z y k 等( 1 9 8 4 ) 根据基因拷贝数的不同，将哺 乳动物的g a p d h 基因分为三个等级：其一，只有一个基因拷贝，如鸡的g a p d h 基因：其二，相对较低的基因重复，如人、兔子、几内亚猪、仓鼠等，有1 0 3 0 个 g a p d h 基因拷贝；其三，高度基因重复，如小鼠和大鼠有超过2 0 0 个g a p d h 基 因拷贝( p i e c h a c z y ke t a l ，1 9 8 4 ) 。t s o 等( 1 9 8 5 ) 从大鼠和人的基因组中分离到了 g a p d h 基因的全长c d n a s ，通过基因组文库筛选发现，在大鼠基因组中有大约 3 0 0 4 0 0 个g a p d h 基因拷贝，而在人类基因组中也有大约1 0 0 个g a p d h 基因拷贝 ( t s oe l a l ，1 9 8 5 ) 。 已报道的植物基因家族文献浩如烟海，许多著名杂志常有基因家族相关文献发 表，其中，m o l e c u l a r p h y l o g e n e t i c sa n d e v o l u t i o n ( m p e ) 、j o u r n a l o f m o l e c u l a r b i o l g o y ( j m b ) 、p l a n tm o l e c u l a rb i o l o g y ( p m b ) 、g e n e 、p l a n ts c i e n c e 等杂志几乎每期都有 基因家族相关论文发表。例如，仅被子植物中，已报道的基因家族相关论文便数以 百计( e g t h o m a se t a l ，1 9 9 3 ；g o t t l i e ba n df o r d ，1 9 9 6 ；m o r t o ne t a l ，1 9 9 6 ：m o o n s 甜d ，1 9 9 7 ；c h a r l e s w o r t he la 1 ，1 9 9 8 ：g a u te la 1 ，1 9 9 9 ；d u r b i ne ta 1 ，2 0 0 0 ；e l i a s s o n e ，a 1 ，2 0 0 0 ：s m a l la n dw e n d e l l ，2 0 0 0 ；v i e i r aa n dc h a r l e s w o r t h ，2 0 0 1 a ，b ；w r o b e l a n d y o d e r ，2 0 0 1 ：f i n ka n ds c a n d a l i o s ，2 0 0 2 ；l a n g e n k l i m p e re t a l ，2 0 0 2 ；l e e h a r n y e fa 1 ，2 0 0 3 ：l u n n ，2 0 0 3 ；l i b e r t i n ie l a l ，2 0 0 4 ；x ua n d k o r b a n ，2 0 0 4 ；r o a l s o na n d f r i a r ，2 0 0 4 ；f e n g e ta 1 ，2 0 0 6 ；h a t t u n ga n dp u c h t a ，2 0 0 6 ；s i m k i ne la 1 ，2 0 0 6 ；y a n g e ，a l ，2 0 0 6 ) 。 1 1 2 植物三磷酸甘油醛脱氢酶基因家族研究概况 1 1 2 1 植物三磷酸甘油醛脱氢酶基因家族 三磷酸甘油醛脱氢酶( g l y c e r a l d e h y d e 一3 一p h o s p h a t ed e h y d r o g e n a s e ，g a p d h ) 是 生物碳代谢途径的关键酶。植物中，叶绿体光合作用的卡尔文循环( c a l v i nc y c l e ) 和细胞质的糖酵解( g l y e o l y s i s ) 共享着几个由同源同工酶催化的酶促反应。一个非 常显著的例子是，细胞质和叶绿体g a p d h ，即g a p c 和g a p a b 都催化由3 - 磷酸甘 油醛到l ，3 二磷酸甘油酸的可逆反应。g a p a b ( e c1 2 1 1 3 ) 是叶绿体的标志酶， 中山戈学博士学位论文 黄槿的g ；o c 基因家族与分子亲缘地理学研究吴令辉 以n a d p ( h ) 作为辅酶( c e r f f ，1 9 7 8 ) ，该酶在被子植物中以a 2 8 2 异源四聚体 ( h e t e r o t c t r a m e r ) 或a 4 同源四聚体( h o m o t e t r a m e r ) 形式存在( c e r t l 、a n dc h a m b er s 1 9 7 9 ) ，而且两个亚单位，g a p a 和g a p b ，都是由体内光诱导的核基因所编码( c e r i t a n d k l o p p s t e c h ，1 9 8 2 ；k w o ne la 1 ，1 9 9 5 ；p a r ke la 1 ，1 9 9 6 ) ，具体来说，亚基g a p b 是由g a p b 基因所编码，g a p b 基因可能是在早期的藻类中，出g a p a 基因发生重复 而产生的，携带具调控功能的特征c 一端尾巴( b r i n k m a n n 酣d ，1 9 8 9 ：s c h e i b ep ， 1 9 9 6 ；w e d e la n ds o l l ，1 9 9 8 ) ；与g a p a b 不同的是，g a p c ( e c1 2 1 1 2 ) 是严格 n a d 特异的，为一个l 司一的或电泳可分辨的不同亚基所组成的四聚体( c e r f f ，1 9 8 2 ； r u s s e l la n ds a c h s ，1 9 9 1 ) ，这些不l 司亚基为多基因所编码，被厌氧、热激和盐激等 环境胁迫因子所诱导和刺激( m a r t i n e ze ta 1 1 9 8 9 ；r u s s e l la n ds a c h s ，1 9 8 9 ；y a n 2p f ，1 9 9 3 ) 。 m e y e r - g a u e n 等( 1 9 9 4 ) 在裸子植物中发现了一种新的质体g a p d h ，命名为 g a p c p ，随后他们义在蕨类植物中发现了这种酶( m e y e r - g a u e np t a l ，1 9 9 8 ) 。g a p c d 与g a p c 在氦基酸序列和催化特性上非常相似，而i i 与叶绿体中的g a p a b 一样，都 表现出很严格的n a d 特异性。以研究g a p d h 及其基因闻名于世的c e r l r 实验室试 图在被子植物中克隆并描述编码这个酶的基因，但并未成功，有二个可能的原因：1 ) 可能是被子植物中浚基因的功能已经丢失；2 ) 可能是这一基因只在被子植物的特异 组织巾表达( p e t e r s e ne la l ，2 0 0 3 ) 。b a c k h a u s e n 等( 1 9 9 8 ) 发现辣椒果实有色体提 取物具n a d 一特