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生命科学学院韩管助课题组在植物逆转录病毒起源研究取得重要进展

近期,植物学权威期刊New Phytologist(影响因子8.512)以《Plants acquired a major retrotransposon horizontally from fungi during the conquest of land》为题在线发表了我校生命科学学院韩管助教授课题组关于植物逆转录病毒起源的最新研究进展。

逆转录病毒可在动物中引起多种疾病,如艾滋病和癌症等。逆转录病毒和宏病毒(又被称为Ty3/Gypsy反转座元件)在进化关系上非常近。但逆转录病毒和宏病毒之间存在两个主要差别:逆转录病毒能编码介导感染的被膜蛋白;逆转录病毒复制酶蛋白能编码一个双核酸酶H的结构域。有意思的是,植物有一类宏病毒(Athila/Tat类反转座元件)独立地进化出了逆转录病毒类似的结构特征;Athila/Tat元件既能编码一个被膜类似蛋白又能编码双核酸酶H结构域。由于和逆转录病毒之间的相似性,Athila/Tat元件又被称为植物逆转录病毒。但是目前尚不清楚植物逆转录病毒是如何起源的。

韩管助教授课题组利用比较基因组学方法在106种代表性植物基因组中系统地挖掘了Athila/Tat元件,发现Athila/Tat元件存在于所有陆生植物基因组中,而在其它非陆生植物基因组中没有发现Athila/Tat元件的存在,这表明植物Athila/Tat元件起源于植物从水生到陆生的进化过程(登陆)中。植物Athila/Tat元件是陆生植物基因组的重要组成部分,在部分植物基因组中存在多达十万个拷贝。该研究又进一步在2000多种真核生物基因组中挖掘了Athila/Tat类似元件,在真菌中的毛霉门和捕虫霉门物种基因组中发现了Athila/Tat类似元件的存在,而毛霉门物种可以和植物的根建立共生关系,形成丛枝菌根。系统发生分析表明陆生植物Athila/Tat元件的多样性聚在真菌Athila/Tat类似元件的多样性中。这些证据表明植物可能在登陆过程中从真菌通过水平转移获得了Athila/Tat元件。

通过分析陆生植物Athila/Tat元件和真菌Athila/Tat类似元件的结构特征发现,真菌Athila/Tat类似元件不编码双核酸酶H结构域,也不编码被膜类似蛋白,可能代表Athila/Tat元件的原始结构特征。进一步分析表明植物Athila/Tat元件的双核酸酶H结构域是多次独立起源的。仅有一个支系的植物Athila/Tat元件获得被膜类似蛋白,形成所谓的植物逆转录病毒。这些结果表明Athila/Tat元件在从真菌水平转移到植物之后频繁地获得和丢失结构域并进化出多种形式,包括具有被膜蛋白和双核酸酶H结构域的植物逆转录病毒。

普遍认为真菌在早期陆生植物适应陆地环境过程中发挥了重要的作用,该研究为真菌和植物之间早期的密切关系提供了新的分子证据,表明真菌和植物之间的远古互作可能塑造了真菌和植物基因组的复杂性。总之,该研究解析了植物逆转录病毒的起源,为理解陆生植物转座元件的起源提供了新的视角。

相关研究发表在植物学权威期刊New Phytologist上(文章链接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17568),博士研究生王钦同学为第一作者,韩管助教授为通讯作者。相关研究受到国家自然科学基金等的支持。

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