橄榄科植物 NLR 基因家族的进化探秘：解锁植物免疫适应的遗传密码

为探究橄榄科植物 NLR 基因家族进化及免疫适应机制，研究人员分析多物种基因组和转录组数据，揭示其进化模式及地理分布影响，为作物育种和物种保护提供依据。

　　

在植物的微观世界里，一场看不见的战争时刻都在上演，植物与病原体之间的斗争从未停歇。橄榄科植物，包含梣属（Fraxinus）、木犀榄属（Olea）、素馨属（Jasminum）、丁香属（Syringa）和连翘属（Forsythia）等多个重要属，它们在生态系统中占据着重要地位，同时也是经济领域的 “明星”，无论是园林景观的打造，还是食品、木材产业，都离不开它们的身影。然而，面对形形色色的病原体，橄榄科植物的免疫系统如何运作？它们的抗病 “武器”——NLR（Nucleotide binding leucine-rich repeats，核苷酸结合富含亮氨酸重复序列）基因家族，又有着怎样的进化历程？这些问题一直困扰着科研人员。

此前，虽然人们知道 NLR 基因家族在植物免疫中至关重要，但对于橄榄科植物 NLR 基因家族的进化动力学和免疫系统适应性，了解极为有限。在全球范围内，橄榄科植物面临着严峻的生存挑战。比如，北美洲的梣树受到亚洲原产的白蜡窄吉丁（Agrilus planipennis）的肆虐，欧洲的欧洲梣（Fraxinus excelsior）则被真菌（Hymenoscyphus fraxineus）引发的白蜡树衰退病折磨，橄榄（Olea europaea）也深受细菌（Xylella fastidiosa）和真菌（Verticillium dahliae）的侵害。要想帮助这些植物抵御病虫害，深入了解 NLR 基因家族的进化规律和免疫机制迫在眉睫。

为了揭开这些谜团，研究人员踏上了探索之旅。研究人员通过挖掘公共数据库，获取了多个橄榄科植物物种的基因组数据，涵盖了 28 种不同的梣属植物以及木犀榄属、素馨属、连翘属和丁香属的部分物种基因组 。同时，利用橄榄栽培品种的 RNA-seq 数据集，为研究提供了丰富的转录组信息。

在探索和挖掘 NLR 基因的过程中，研究人员借助 NLRtracker 进行高通量搜索，随后还手动整理分析结果，确保准确性。他们运用系统发育分析，基于 PRG 数据库的 NBARC 结构域构建进化树，以探究 NLR 基因的分类和演化关系。此外，通过构建基因密度图和共线性图，来研究 NLR 基因在基因组中的分布和排列特征。在进化分析方面，研究人员综合序列相似性和系统发育分析，确定旁系同源基因，计算 Ks（同义替换率）和 Ka/Ks（非同义替换率与同义替换率的比值）值，分析基因复制时间和选择压力。还利用物种转录组构建系统发育树，结合 CAFE5 软件进行基因家族的扩张和收缩分析。在 NLR 基因表达分析上，以栽培橄榄树为对象，对比高抗和易感品种中 NLR 基因的表达差异。

通过一系列深入研究，研究人员取得了许多重要发现。在 NLR 基因分布方面，不同物种呈现出显著差异。木犀榄属的油橄榄（Olea europaea）和野生油橄榄（Olea sylvestris）拥有大量 NLR 基因，分别为 430 个和 463 个，而连翘（Forsythia suspensa）仅有 70 个。梣属内不同谱系的物种，NLR 基因数量也各有不同。亚洲谱系的物种 NLR 基因数量适中，泛区域谱系和北美谱系的部分物种则出现基因扩张。此外，研究发现 TIR-NLR（含 Toll / 白细胞介素 - 1 受体结构域的 NLR）亚类的完整 / 部分基因比值最低，假基因化倾向最高，这表明其在进化过程中可能发生了功能转变。

从基因组结构来看，NLR 基因在基因组中并非随机分布，而是聚集在特定区域，形成高密度的基因簇。油橄榄和野生油橄榄的 NLR 基因簇区域广泛，而美国梣（Fraxinus americana）和水曲柳（Fraxinus mandshurica）的分布则更为分散，这暗示了不同物种受到的选择压力存在差异。

对 NLR 亚组的系统发育分析显示，橄榄科植物的 NLR 基因可分为多个亚组，如 CNL-NLR 的 G2、G3 等亚组。其中，G4 和 G7 亚组呈现出高度多样化，CCG10-NLR 亚组也有显著分化，而 CCR-NLR 亚组在数量上相对保守。这表明不同亚组在进化过程中承担着不同的功能，CCG10-NLR 可能在应对环境压力中发挥重要作用，CCR-NLR 则对维持核心免疫功能至关重要。

在基因复制对 NLR 基因进化的影响研究中，研究人员发现橄榄科植物经历了两次全基因组复制事件。油橄榄在约 500 万年前（Ks≈0.05）出现大量基因复制，可能源于小规模的串联或片段复制，这些复制推动了其 NLR 基因家族的扩张。相比之下，梣属植物未出现近期强烈的基因复制信号，而是保留了许多古老复制事件产生的基因，其 Ks 分布较广，约 1000 万年前（Ks≈0.16）的基因复制事件留下的痕迹明显。

通过计算 Ka/Ks 比值评估选择压力，发现油橄榄的 NLR 基因处于中等选择压力下（Ka/Ks 中位数 = 0.6），表明其基因功能在不断探索和扩展。而欧洲梣和水曲柳等物种的 Ka/Ks 比值较低（约 0.3 - 0.4），受到较强的纯化选择，维持着古老 NLR 基因的功能。

在基因复制和进化稳定性的地理模式研究中，发现亚洲和欧洲的物种基因复制水平适中，基因得失平衡，说明这些地区环境相对稳定，有利于基因的积累和优化。北美物种则基因丢失较多，复制率较低，可能是环境波动较大，促使它们更注重保留关键基因，以维持生存。

对不同谱系的基因家族扩张和收缩分析显示，在 26 - 3000 万年前，梣属各谱系从共同祖先分化时，基因家族得失相似。随后，亚洲谱系在 20 - 2600 万年前开始适应性扩张，0 - 1000 万年前扩张最为显著；泛区域谱系保持平衡；北美谱系在 10 - 2000 万年前有明显扩张，之后趋于保守。油橄榄在 10 - 2000 万年前基因家族扩张最为突出，远超其他属，这表明它在应对环境压力时进化迅速。

在橄榄的 NLR 基因表达分析中，研究人员发现 155 个表达的 NLR 基因中有 63 个是部分基因，部分 CCR-NLR 基因在高抗品种中高表达，部分 CC-NLR 基因在易感品种中表达较高。即使 TIR-NLR 基因存在假基因化现象，部分和完整的 TIR-NLR 基因仍有表达，这说明部分 NLR 基因在免疫网络中具有重要功能。对高抗和易感品种的差异基因表达分析表明，高抗品种通过下调易感相关基因、上调抗性相关基因来增强免疫能力。

这项研究成果意义重大，发表于BMC Plant Biology期刊。研究首次全面解析了橄榄科植物 NLR 基因家族的进化历程，揭示了不同属植物的进化策略。这些发现为作物育种提供了理论基础，有助于培育更具抗性的橄榄品种，减少病虫害造成的经济损失，保障粮食安全。对于受病虫害威胁的梣属植物，研究成果能指导保护工作，通过培育抗性品种，维护生态系统的稳定。未来，研究人员可基于此进一步挖掘关键 NLR 基因，深入研究其功能和调控机制，为植物保护领域带来更多突破。