结合高通量测序技术研究SPL及其下游基因在拟南芥花药发育早期细胞分裂、分化过程中的作用及信号网络

Fertility in plants directly affects the reproduction and the yield of crop plants. Anther development involves cell division, specification and differentiation and these processesare important for male fertility and successful sexual reproduction. The SPOROCYTELESS (SPL) encodes a putative transcription factorand is essential for the formation of reproductive and parietal somatic cells of the anther.The mutation of SPLhas the earliest visible male sterile phenotype, developingneither normal reproductive cells nor several somatic cell layers and exhibiting the largest deviation from fertile anthers. However, relatively little is known about the downstream genes regulated by SPL and the cell signaling pathways and mechanisms. We plan to use RNA-seq technology to compare transcriptomes of immature anthers from the sterile spl and wild-type anthers, to uncoversomegenes including transcription factors and protein kinases, which may counter-regulateSPL, or be downstream genes of SPL. In this project, we will use biological technologies of mutant screening, phenotype analysis and genetic transformation, together with computational methods of high-throughput transcriptome analysis, to figure out their roles in the regulatory networkof early anther development. Understanding the functions of SPLdownstream genes will provide supports for improving grain fertilities and productions.

植物的育性直接影响植物的繁殖和农作物的产量，雄性不育是作物育种材料的关键性状。花药早期发育包括一系列的细胞分裂、分化和细胞间的信号转导等过程，这些过程的异常会导致雄性不育。转录因子SPL是影响花药早期发育的关键基因，SPL突变会导致拟南芥花药体细胞和生殖细胞分化出现异常，最终导致花药不育，表明SPL在花药早期发育的细胞分化过程中起着关键的作用，但其下游调控基因及信号传导机制还没有报道。本实验室通过野生型花药和spl突变体的转录组分析，筛选出了一批可能与SPL相互调节、以及SPL下游与细胞分化相关的转录因子和受体蛋白激酶。我们将结合突变体筛选、表型分析、遗传转化等生物学技术，和转录组高通量测序分析等计算生物学方法，研究与SPL有关的关键基因与SPL等早期转录因子的调控关系及信号传导机制，明确它们在花药早期细胞分裂、分化过程中所发挥的功能，为农业生产上提高作物育性、增加作物产量提供理论指导。

重复基因可以导致功能分化和新功能的产生，并且为物种的自然选择带来优势。开花植物的基因组中包含大量重复基因，它们在后续的演化过程中累计了大量的遗传突变。然而很多研究表明这些突变常常不能导致可以观测到的形态缺陷，因此重复基因之间的功能冗余性仍然占据主导作用。编码富含亮氨酸重复的受体蛋白激酶基因（LRR-RLKs）常常在开花植物基因组中占据数百份拷贝，其中BAM1/2是花药发育早期阶段发挥关键作用的重要基因，它们与SPL共同参与调节植物正常的细胞分裂分化和细胞间的信号交流。通过以花药发育4-7期为关键时间节点，对野生型花药与bam1、bam2和 bam1bam2突变体花药进行高通量转录组测序与比较，发现了下游基因的共表达存在多种模式，表明下游基因很有可能通过BAM1与BAM2的同源二聚体或异源二聚体的调控作用发挥功能。通过多种实验手段观察发现单突变体的花粉育性与野生型相比存在一定程度的下降，并且绒毡层细胞发育异常。这些都为 BAM1/2等重复基因在与SPL等转录因子的调控网络中出现的新功能化和亚功能化提供了表型证据，为揭示雄蕊发育过程中的细胞命运决定机制提供了分子水平的线索。进一步研究发现这些与SPL互作的LRR-RLKs基因起源于被子植物进化过程中的多次全基因组重复。这些通过染色体多倍化产生的大量重复基因，为新基因功能的形成提供了进化上的潜力。 我们首先通过转录组测序获得了64个菊科物种的基因集合，覆盖了菊科内部的6个亚科共18个族。通过比较把4万棵单基因与菊科物种树进行拓扑结构比较，我们在菊科基部发现了多次基因组多倍化，并伴随着短短10百万年内至少10个亚科的产生，另一次较近期的基因组多倍化发生在Heliantheae族分化以前，这可能是导致Heliantheae族的物种多样性快速增加的主要原因。这些研究为菊科全基因组重复的多次发生提供了分子依据，并发现包含LRR-RLKs基因家族在内的多种受体蛋白激酶在基因组多倍化后得以保留，表明LRR-RLKs基因家族的功能分化有利于增加植物快速分化和环境适应性。