白菜花粉发育相关PG基因的进化、表达和功能分化研究

The present project is based on our previous study on three polygalacturonase (PG) genes (Bra013442, Bra000332, Bra037005) which belong to endo-, exo- and rhamno-PGs respectively and their two duplicated genes (Bra037678, Bra011440), aiming at understanding how so many PG genes emerged during pollen development and questions about their structural variation, functional differentiation, duplication and redundancy etc. First, we will analyze the evolutionary modes of PG gene family members, and focus on those involved in pollen development using bioinformatic databases. Then, amiRNA and transgenetic technologies will be carried out to characterize the biological and biochemical functional differences of the three PG genes as well as their two duplicated ones. Other PGs related to pollen development will be analyzed in the transgenic plants and Arabidopsis mutants with expression suppressed of the target PGs in order to explore their functional redundancy and coordination. These studies will present a theory for understanding the functions of PG genes during the development of different tissues and organs, particularly during pollen development, and provide essential information for controlling fertility of Cruciferous vegetables and other crops.

本项目以前期发现的与白菜花粉发育密切相关，分别属于内切、外切和鼠李糖PG的3个基因（Bra013442、Bra000332、Bra037005）及其2个重复基因（Bra037678、Bra011440）为基础，针对PG基因家族成员众多、结构变异、功能分化、基因重复与冗余等问题，首先利用生物信息学数据库，对不同组织器官特别是花粉发育相关PG基因家族成员进化模式进行分析，然后采用amiRNA技术和转基因技术等，重点对3个PG基因及其2个重复基因进行生物学功能鉴定与生化特性分析，比较它们在花粉发育过程中作用模式的异同，继而对目的PG基因受抑制的转基因植株和相应拟南芥突变体进行相关基因表达分析比较，探讨相关成员间的功能冗余关系和相互协调关系。这些研究将为从整体上认识白菜等十字花科植物的PG基因家族成员在不同组织器官特别是花粉发育过程中的作用提供可供支撑的理论，为有效控制蔬菜等农作物育性提供依据。

多聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase，PG）是一类重要的果胶水解酶，与花粉发育和花粉管形成密切相关，在植物有性生殖过程中发挥重要作用。PG属于植物最大的水解酶家族之一。由于基因组重复事件的发生，PG基因家族众多成员间在基因结构和表达方式上存在变异和分化。但至今人们对PG家族的科学分类仍缺乏共识，对PG家族成员的分子进化、PG的表达调控方面的认识还非常有限，值得我们深入研究。单个PG基因在花粉发育和花粉管形成过程中可能的功能已经在许多物种中被鉴定，但是对于重复PG基因在这一过程中的表达差异和功能分化仍需进一步的探究。.基于以上认识和存在问题，本项目通过对PG基因的系统发生、基因结构、同线性关系、蛋白进化速率、启动子变异等多方面进化分析，结合qRT-PCR、启动子融合表达分析，揭示了三种重要蔬菜作物白菜、黄瓜、甘蓝中PG家族成员的进化、表达和可能的功能分化，阐明了PG基因家族在禾本科和双子叶植物间存在差异的原因。同时，重点针对白菜花粉发育相关的、分别属于内切、外切和鼠李糖PG的3个基因（At4g20050、At2g43870和At4g33440的同源基因）及其重复基因，通过组织原位杂交和反义RNA、人工microRNA技术，以及对转基因植株的形态学、细胞学、遗传学水平观测分析，明确了这些基因的表达模式、生物学功能和重复基因间存在的功能分化。从PG家族中研究较少的三个亚类（Clade E、Clade F和Clade G）中分别选取了一个基因（BcMF24、BoMF25、BoQRT3），分析了他们的表达模式，初步认识其在花粉发育中可能扮演的角色。通过启动子元件分析、启动子-GUS融合表达分析和激素处理实验，对拟南芥14个花粉发育相关PG基因间的功能冗余、PG基因的表达调控有了进一步的认识。