MP文献分享 | 水平基因转移事件推动了陆地植物的进化

本期分享的文献是2022年5月发表在《Molecular Plant》期刊上的研究性论文，题为“Major episodes of horizontal gene transfer drove the evolution of land plants”。

水平基因转移(HGT)是跨物种的遗传物质交换，是原核生物进化的主要驱动力，真核生物中的HGT也越来越受到重视。不同谱系间的HGT可以为受体生物提供新的功能或表型，以更好地适应其环境。陆地植物从绿藻中进化，结构和生理复杂性的不断提高。在进化过程中，陆地植物与环境微生物相互作用，物理关联促进HGT的发生，导致陆地植物获取得到外源基因。植物获得性基因可以来自任何物种，包括其他植物物种，但其功能作用并不相同。原核生物、真菌和其他远亲生物是新功能的主要来源。本研究对轮藻和陆地植物类群的HGT进行了综合分析，发现历史上两次主要的HGT事件显著地影响了陆地植物的进化。

1. 种子植物和非种子植物的HGT事件规模对比

为了确定陆地植物进化过程中的获得性基因，在轮藻和陆地植物类群中挑选了31个物种，通过序列比对，共鉴定到593基因家族是由HGT而来 （HGT怎么鉴定的？）。HGT在轮藻和所有主要陆地植物群中都很活跃，但种子植物和非种子植物之间存在对比。在轮藻K. nitens中鉴定出95个外来的基因家族，在P. patens和其他苔藓中鉴定出30个基因家族。

与轮藻植物和苔藓植物相比，在石松植物和蕨类植物中发现最近获得的基因数量较少。在石松植物S. moellendorffii中鉴定到14个获得性基因家族，例如参与真菌孢子壁形成的二酪氨酸生物合成基因DIT1从真菌转移到石松植物中。该基因在卷柏属中发生复制，并在根系中高表达。

2. 主要的HGT事件

对植物进化早期阶段的HGT事件进行鉴定分析。ABC转运蛋白家族由ALS3/NAP3两个基因编码，在细菌和软克里藻中，ALS3和NAP3在染色体上串联定位，表明这两个基因可能是在链型植物早期进化过程中从细菌共同转移的。

3. HGT事件在植物进化中的累积效应

HGT的累积效应在种子植物中尤为明显。虽然种子植物发生的HGT较少，但进化早期两次大规模HGT事件中分别有58% (103/ 177) 和71% (76/107) 的基因保留在种子植物中，许多基因广泛参与种子植物的生长发育过程。

4. 受HGT影响的植物活动和过程

非生物胁迫：植物抗旱基因LEA2和抗盐基因MMT可能是在第一次大规模HGT事件从细菌中获得的，现在广泛分布在陆地植物中。

生物胁迫：蓖麻毒素参与植物对食草动物和微生物病原体的防御，相关基因由种子植物进化过程中从细菌获得的。

离子转运：氨转运蛋白基因家族在植物氮吸收过程中发挥重要作用重要，是第一次大规模HGT事件从真菌中获得的。

生长发育：参与被子植物受精调控的POP2基因是第一次大规模HGT事件从细菌中获得的。

特殊代谢：形成切碎洋葱释放的刺激性硫化物的催泪因子合成酶相关基因。

文章总结：

本研究对不同植物类群和陆生植物进化过程中的获得性基因进行了系统分析。发现在轮藻植物和所有主要陆生植物类群中都出现了相对较新的 HGT 事件，但在种子植物中HGT的频率迅速下降。

在植物进化过程中发生了两次主要的 HGT 事件，分别与链型植物的早期进化和陆地植物的起源相对应。这两次事件中获得的绝大多数基因都保留在后代群体中，影响了陆生植物的许多活动和过程。

分析了涉及胁迫反应、离子转运、生长发育和特殊代谢的获得性基因，并进一步评估了HGT在陆生植物中的累积效应。

HGT鉴定流程

Annotated protein sequences from each of the 12 representative species were subjected to detailed and rigorous analyses for genes of prokaryotic, viral, fungal, or animal origin. 植物的基因去动物、原核生物中去搜寻其同源基因，然后过滤，获得所有水平转移基因。Orthofinder鉴定基因家族，每个家族有多少个水平转移基因会被视为水平转移基因家族？

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.02.001

编辑——王昊飞

校稿——杜雨欣

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