悬铃木与矮牵牛主要开花基因的功能及进化机制解析

A fundamental question in biology is how evolution has occurred at the molecular level. During the past two decades, flowering regulation of higher plants became one of the most important research fields of plant evolutionary developmental biology. Currently, the molecular mechanism of flowering regulation in the model plant Arabidopsis is becoming increasingly clear, but the function and evolution mechanism of floral genes in many other plants remains unknown..In this project, we intend to investigate the function and evolution of the coding sequences and cis-regulatory elements of several major floral genes (including FT, TFL1, LFY, SOC1, SVP and UFO homologs) in two ornamental plants, London plane and Petunia, using the knowledge of Arabidopsis as a reference. The results, on one hand, could provide a scientific basis for the rational application of the genes in quality improvement of ornamental plants; on the other hand, it could be revealed that how the function and regulation of the key floral genes evolved in the three eudicot species (London plane, petunia, and Arabidopsis), which belong to three different evolutionary branches (basal eudicot, asterids and rosids, respectively), with different flowering habit and inflorescence structure. .Changes in the coding sequences of genes could have altered the activity of proteins. Alternatively, coding sequences might be largely conserved but mutations in the cis-regulatory elements of genes might have altered expression patterns leading to new functions. A detailed analysis of the expression patterns of the floral genes and swapping experiments using the coding sequences and promoters in this project will also provide a picture on how changes of the coding sequences and cis-regulatory elements of these genes result in their functional evolution. In addition, a comprehensive exploration of the functions of floral genes in London plane is expected to find the key flowering regulatory factors, which will provide a reliable strategy for genetic engineering of sterility in this species.

高等植物的开花调控是近二十年来植物进化发育生物学研究的重要领域。目前，对拟南芥等模式植物的开花调控分子机理已有较为清楚的认识，但众多其他植物开花基因的功能及进化机制仍不清楚。本项目以拟南芥的研究成果为参照，对悬铃木和矮牵牛两种观赏植物主要开花基因（FT、TFL1、LFY、SOC1、SVP、UFO等同源基因）编码序列及其表达调控元件的功能与进化进行对比研究，一方面为相关基因在观赏植物品质改良中的合理利用提供科学依据，另一方面旨在探讨论悬铃木、矮牵牛和拟南芥三个属于真双子叶植物不同进化分支（basal eudicot、asterids和rosids）、具有不同开花习性和花序结构的物种主要开花基因的功能及表达调控进化机制，揭示相关基因的编码序列及表达调控元件在其功能进化中的作用，具有重要的科学意义。另外，全面探索悬铃木开花基因的功能，有望找到关键调控因子，为其无花果基因工程改良提供可靠技术途径。

开花调控对于植物生存与进化、育种与生产等具有重要意义。目前，对拟南芥等模式植物的开花调控分子机理已有较为清楚的认识，但众多非模式植物开花基因的功能及进化机制仍不清楚。本项目以悬铃木和矮牵牛为研究对象，对其主要开花调控基因（FT/TFL1、LFY、SOC1、SVP、UFO等同源基因）的功能与进化进行对比研究，一方面通过全面探索悬铃木开花基因的功能，为其无花果基因工程改良提供可靠技术途径，另一方面重在探索悬铃木、矮牵牛和拟南芥三个属于真双子叶植物不同进化分支、具有不同开花习性和花序结构的物种开花调控基因的功能与进化。项目主要研究结果：（1）在转录组测序的基础上，对悬铃木花芽分化前后基因表达谱进行了分析，依据模式植物的研究成果以及差异表达基因分析结果，克隆了一系列可能参与悬铃木开花调控的相关基因，包括5个FT/TFL1家族基因、4个SPL家族基因、18个成花调控相关MADS-box基因（5个SOC1-like、3个SVP-like、3个FUL-like、5个SEP-like、2个AGL6-like）和LFY/UFO 同源基因，通过qPCR对其时空表达模式进行了系统分析，采用酵母双杂交技术对其蛋白互作模式进行了全面研究，同时通过异源转化拟南芥或矮牵牛对全部基因的功能进行了鉴定；（2）基于矮牵牛基因组及转录组数据，克隆了其FT/TFL1家族全部基因（包括5个FT-like，4个TFL1-like、2个MFT-like、2个BFT-like），对其表达模式和功能进行了对比研究；（3）通过连接GUS报告基因转化拟南芥和矮牵牛，对悬铃木LFY和UFO同源基因启动子的表达特性进行了研究，结合它们在悬铃木自身生长发育过程中的表达模式，初步明确了其表达调控与功能进化特点。本项目研究结果为全面揭示悬铃木的开花调控分子机理奠定了良好的基础，同时为主要开花基因在物种进化过程中的表达模式与功能进化研究增添了新的认识。