系统发育驯化揭示种子植物谷氨酰胺合成酶（GS）基因家族进化分化的新视角

本综述通过系统发育驯化方法深入探讨了种子植物谷氨酰胺合成酶（GS）基因家族的进化轨迹。研究证实了三个独立进化谱系（GS2、GS1a和GS1b）的存在，利用贝叶斯分子钟推断了其分化时间（GS2于5.6亿年前最先分化），并开发了专用软件（orthGS）解析旁系同源和直系同源关系。文章挑战了传统认知，揭示了GS1a和GS2虽多为单拷贝基因，但经历了多次隐性复制事件，为植物氮代谢（nitrogen metabolism）和基因家族进化研究提供了重要理论工具。

　　

引言

谷氨酰胺合成酶（Glutamine synthetase, GS; EC6.3.1.2）是催化铵离子与谷氨酸结合形成谷氨酰胺的关键酶，存在于几乎所有生物体中，对生命活动至关重要。该酶在植物氮代谢、氮利用效率及作物产量中起核心作用，并参与从种子萌发到衰老的整个发育过程。尽管研究历史悠久，但由于GS基因家族漫长而复杂的进化历程，其进化关系尚未被完全解析。传统上，种子植物的GS被分为胞质型GS1和质体型GS2，但最新研究表明存在三个主要进化谱系：GS2（质体定位）以及GS1a和GS1b（均为胞质定位）。

种子植物GS蛋白聚类为三个主要系统发育谱系

研究选取了45种系统发育关系明确的种子植物物种，共155个GS基因序列进行分析，包括24种松柏类植物、3种买麻藤目植物、3种苏铁目植物、1种银杏科植物和14种被子植物（4种基部被子植物和10种核心被子植物）。通过最大似然法和无比对方法构建系统发育树，所有GS蛋白一致地聚类为四个表观群组：GS2、GS1a、GS1b-Ang（被子植物）和GS1b-Gym（裸子植物）。进一步通过最小祖先偏差（MAD）法对未根树进行根定后，证实GS1b（裸子植物和被子植物）实际上构成一个单一的进化谱系，与GS1a为姐妹群关系。因此，种子植物GS基因家族存在三个真正的进化谱系：GS2、GS1a和GS1b。

GS2是种子植物中最早出现的现代谱系

早期研究对GS谱系的分化顺序存在争议。为澄清这一问题，研究采用了多种根定方法（外群法、中点法、最小方差法、最小祖先偏差法和最小驯化成本法）对随机抽样的100个物种子集进行分析。所有方法均一致支持GS2谱系最先从共同祖先中分化出来，而GS1a和GS1b的分化发生较晚。为了排除GS2前蛋白中转肽序列对进化距离计算的潜在干扰，研究在去除转肽序列后重新构建了系统发育树。结果表明，尽管拓扑结构略有变化（标准化Robinson-Foulds距离为0.32），但GS2作为最先分化的谱系这一结论依然稳健。GS2前蛋白因其转肽序列而具有更大的分子量和更高的等电点（pI），但这并不影响其系统发育位置。

种子植物GS进化的分子钟定年

采用贝叶斯分子钟定年方法对6个代表物种的25个GS蛋白进行了分化时间估算。结果表明，GS2谱系大约在5.6亿年前（百万年前，Mya）从共同祖先中分化出来。随后，GS1a和GS1b谱系在大约7000万年后（即约4.9亿年前）开始分化。该分析采用了松弛分子钟模型，并使用已发表的化石时间进行校准，确保了分化时间估算的可靠性。后验分布分析表明，该结果对根节点年龄的先验设置（500-1000 Mya边界）具有稳健性。

揭示针叶树中隐藏的GS1a旁系同源基因

通过基因树-物种树驯化分析，研究揭示了GS1a和GS2谱系中隐藏的复杂进化历史。尽管在大多数基因组中GS1a和GS2呈现为单拷贝基因（singleton genes），但驯化分析表明它们历史上经历了多次基因复制事件，随后通过基因丢失仅保留了一个拷贝。例如，在松科（Pinaceae）植物中，松属（Pinus）的GS1a与云杉属（Picea）和冷杉属（Abies）的GS1a是旁系同源（paralogs）关系，而云杉属和冷杉属之间的GS1a才是直系同源（orthologs）关系。类似的旁系同源关系在被子植物的GS2谱系中也存在。这表明，针对GS1a和GS2存在强烈的纯化选择压力，可能与其在光合作用和组织中的基因剂量效应有关。相比之下，GS1b谱系则经历了广泛的基因复制和功能分化（neofunctionalization），形成了多基因家族。

讨论

本研究通过系统发育驯化等先进方法，证实了种子植物GS基因家族存在三个主要进化谱系（GS1a、GS1b和GS2），它们均存在于种子植物的共同祖先中。GS2是最早分化的谱系，其功能与GS1a类似，均主要在光合组织中表达，参与光呼吸和硝酸盐光同化过程。研究表明，GS1a和GS2谱系受到强烈的纯化选择压力，以维持其单拷贝状态，这可能与基因剂量效应有关。过量表达这些基因可能对植物产生不利影响，例如拟南芥中GS2活性过高会降低铵耐受性。而GS1b谱系则经历了广泛的扩张和功能分化。

研究开发的R软件包orthGS实现了树驯化分析，可用于解析GS家族乃至其他基因家族的直系同源和旁系同源关系。该工具揭示了许多传统上被认为是直系同源的单个拷贝基因，实际上是分布在相近物种中的旁系同源基因。这一发现对利用单拷贝基因作为分子标记进行系统发育研究提出了重要警示。

总之，基因组测序正在改变我们对基因家族进化历史的认知。对GS基因家族而言，本研究为其复杂的进化历程提供了新的时间框架和进化动力学见解，强调了在基因功能研究和比较基因组学中准确区分直系同源和旁系同源的重要性。