武当木兰花器官特征决定APETALA3同源基因的选择性拼接与功能分化

Alternative splicing and gene duplication are two major sources of proteomic function diversity, while the molecular mechanism remains largely unclear how alternative splicing evolves after gene duplication. Magnolia sprengeri is a Chinese endemic woody plant which belongs to the Magnoliaceae, an early-diverging clade from the ancestral angiosperms. The floral morphology of M. sprengeri exhibits tremendous differences with that of core eudicots in floral organization and architecture.It has flowers with multiple morphologically identical petaloid tepals instead of uniform nine tepals of most Magnolia species. Our study reveals that small scale duplication take place within APETALA3(AP3) lineages in M. sprengeri, and one of the duplication copies produces three transcript isoforms resulting from alternative splicing, which makes it an excellent model for studying the structure and functional evolution of AP3 homologs. In combination of various methods and techniques, the proposal aims to understand the expression patterns and divergence of the three AP3 transcript isoforms in M. sprengeri. The results should provide valuable information to understand the origin and early evolution of the AP3 homologs. Moreover, it should also provide valuable information to uncover the origin and early diverging of flowering plant.

基因重复和选择性拼接是导致基因功能多样化的2个重要因素，但其协同进化的分子机制并不十分清楚。武当木兰(Magnolia sprengeri )是较原始的被子植物，也是木兰属中少数具多瓣性状的种类,其3轮花器官结构与多数具4轮花器官的真双子叶植物明显不同。研究表明，其参与花瓣特征控制的AP3同源基因通过1次小尺度基因重复产生2个paleoAP3型基因，其中1个通过选择性拼接形成3种剪接异构体，成为研究APETALA3(AP3)同源基因结构和功能进化的理想材料。本项目拟在已有的工作基础上，通过转录组分析、原位杂交、拟南芥转基因等技术，系统研究武当木兰AP3同源基因及其剪接异构体在花发育过程中的表达模式和功能；进而探讨AP3同源基因的起源与早期进化。为研究木兰属植物的系统进化、发育演变、被子植物花瓣起源和观赏植物种质创新等奠定重要的理论基础。

被子植物B类基因APETALA3 (AP3)/DEFICIENS (DEF)进化系主要由euAP3型、TM6型和paleoAP3型共3种类型的基因组成，其在花发育过程中编码MADS-box转录因子参与调控雄蕊和花瓣的正常发育。武当木兰（Magnolia sprengeri）是较原始的被子植物，也是木兰属植物中少数具多瓣性状的种类，其3轮花器官结构与多数具4轮花器官的真双子叶植物明显不同。本研究结合同源克隆和RACE技术，从武当木兰发育种的花芽中分离出AP3/DEF进化系基因MaspAP3_1和MaspAP3_2，同时还发现MaspAP3_2型基因在晚期分化的花芽中存在MaspAP3_3和MaspAP3_4型剪接异构体。蛋白序列同源比对和分子系统发生分析表明：MaspAP3_1和MaspAP3_2基因属于AP3 / DEF进化系中的paleoAP3型基因，其蛋白序列相似性高达94.86%，2个转录因子均包含M、I、K和C共4个保守的结构域；然而，MaspAP3_3型异构体则因为162bp外显子缺失导致其编码的氨基酸缺少K1和K2模体；MaspAP3_4型异构本则由于100bp的外显子缺失，发生移码突变，其编码序列提前终止，K结构域和C末端转录激活区完全缺失。进一步功能分析表明：武当木兰MaspAP3_1仅能将拟南芥ap3-3突变体的雄蕊部分恢复，但不参与其花瓣的发育调控；异位表达的MaspAP3_2也能部分替代拟南芥内源AP3基因，恢复拟南芥ap3-3突变体的雄蕊，同时能将最外轮萼片部分瓣化；然而，35S::MaspAP3_3和35S::MaspAP3_4转基因ap3-3 拟南芥纯合体花器官表型与ap3-3 突变体类似。研究表明：武当木兰MaspAP3_1和MaspAP3_2基因在花发育过程中主要参与雄蕊特性调控，同时，可变剪接能改变AP3同源基因的功能，从而导致不同剪接异构体的功能分化，我们的研究结果为研究植物花器官的早期分化积累了资料。