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海藻糖是一种具有多种生物学功能的非还原性二糖,广泛存在于细菌、真菌和植物中,能够保护生物分子免受环境的胁迫。海藻糖是由UDP-葡萄糖和葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)为原料经海藻糖-6-磷酸合酶(TPS)与海藻糖-6-磷酸酶(TPP)催化合成,而海藻糖的分解主要是通过海藻糖酶(TRE)降解成两分子的葡萄糖。本论文在基因组层次开展了真菌海藻糖代谢相关基因家族的分子进化研究,分析了基因家族在真菌基因组中的结构、系统发育关系、适应性进化等,其主要结果如下:
1、以全基因组测序完成的17种真菌为研究对象,这17种真菌代表了真菌的不同进化历史阶段,其中子囊菌门14种,担子菌门3种,包括重要的植物病原菌、人类病原菌和腐生菌。在这17种真菌基因组中共鉴别出65个TPS基因,其中担子菌门的玉米瘤黑粉菌和双色蜡蘑各有3个TPS基因,而新型隐球菌只有两个TPS基因;酵母纲的酿酒酵母和光滑念珠菌各有四个TPS基因;栗酒裂殖酵母有五个TPS基因;曲霉属的棒曲霉和黑曲霉各有7个TPS基因,而烟曲霉只有6个TPS基因;其余8种子囊菌(玉蜀黍赤霉、粗糙脉孢菌、稻瘟病菌、乳酸克鲁维酵母、毕赤酵母、汉氏德巴利氏酵母、解脂耶氏酵母、棉阿舒囊霉)各有3个TPS基因。
2、65个TPS基因中,25个TPS基因仅具有TPS结构域,其中曲霉属的棒曲霉和烟曲霉各有4个TPS基因属于这种结构,而黑曲霉只有3个TPS基因属于这种结构,其余14种真菌基因组中均有1个TPS基因属于这种结构。在17种真菌基因组有40个TPS基因具有融合的TPS和TPP两个结构域,栗酒裂殖酵母有4个TPS基因、以及棒曲霉、黑曲霉、烟曲霉、酿酒酵母、光滑念珠菌各有3个TPS基因属于这种结构,而其余11种真菌基因组中均有2个TPS基因属于这种结构。
3、在这17种真菌基因组中还鉴别出了25个TRE基因,其中粪壳菌纲的三种真菌,粗糙脉孢菌、稻瘟病菌、玉蜀黍赤霉以及酵母纲的酿酒酵母、光滑念珠菌、担子菌门的三种担子菌双色蜡蘑、新型隐球菌和玉米瘤黑粉霉各有两个TRE基因,其余九种真菌中只有一个TRE基因。
4、系统发育分析发现TPS基因聚成三支,其中只有TPS结构域的TPS基因单独聚成一支,具有TPS和TPP两个融合结构域的TPS基因聚成明显不同的两支。这三支中每一支都包含有来自于17个真菌物利,的拷贝,预示着祖先真菌的基因组中至少存在三个TPS基因拷贝。
5、蛋白质功能位点分析发现只有TPS结构域的25个TPS基因具有结合底物G-6-P的活性位点残基(相应的残基位置在大肠杆菌EcOtsA中是R10、Y77、R301)和结合底物UDP-葡萄糖的保守功能残基(G23、R263、K268、L366、E370),然而除Y77、R263和E370外,具有TPS和TPP融合结构域的40个TPS基因没有结合底物G-6-P和UDP-葡萄糖的保守功能残基,预示着这两大类结构不同的TPS基因发生了功能分化。
6、PAML分析发现所有TPS基因的TPS结构域和TPP结构域受到较强的纯化选择,说明在不同真菌世系中这些直系同源基因的功能可能是保守的。