毛茛科花瓣的发育和进化研究

【作者】 张睿； 国春策； 张文根； 王培培； 段晓珊； 山红艳； 任毅； 孔宏智；

【机构】 系统与进化植物学国家重点实验室中国科学院植物研究所； 生命科学学院陕西师范大学；

【摘要】 花瓣缺失现象在被子植物中普遍存在,而且在不同类群中多次发生,但其内在机制并不清楚。毛茛科是研究花瓣缺失问题的理想材料。分子生物学研究发现一个MADS-box基因(AP3-3)是控制该科花瓣形成的关键因子,但在多个花瓣缺失的类群中检测不到其表达。为了探讨该科花瓣缺失演化的分子机制,我们分别从4组物种对(每个种对分别包括一个有花瓣的和一个花瓣缺失的物种)中克隆到了与花瓣发育相关的AP3类基因,系统发育分析结果表明,它们分别属于AP3-1、AP3-2和AP3-3型基因。进一步的原位杂交和real time PCR结果表明,这些基因在表达式样上已经发生了明显的分化。特别是,在有花瓣物种中,AP3-3型基因只特异地在花瓣中高水平表达,而在花瓣缺失的物种中,AP3-3型基因的表达量则非常低,甚至不表达。为了深入探究这一有趣现象的本质,我们对上述4个物种对的AP3-3型基因在基因组层面上进行了对比分析,结果发现该基因在花瓣缺失物种中均发生了基因沉默,但在不同物种中表现形式不尽相同,包括三种情况:1)在基因组中可能丢失或者发生了假基因化;2)编码区发生了碱基缺失从而造成移码突变;3)编码区序列并未发生变化,但是受到了相对放松的选择压力,有可能失去了控制花瓣形成的功能。这些结果表明AP3-3基因不同的变化方式与花瓣在不同类群中的独立缺失演化密切相关。本研究为被子植物花瓣缺失的遗传演化机制提供了线索,也为植物性状的平行演化和趋同进化的遗传学机制研究提供了新的思路。更多还原