蒺藜苜蓿果刺发育的分子机制研究

Seed dispersal is a process of diaspore moving away from the mother plant to a new environment where they may grow and reproduce, and is a research hotspot for evolutionary and conservation biologists in recent years. The ways of seed dispersal are adapt to the living condition of plants with their morphological characteristics, such as diaspore with a feature of spines, hooks or sticky substances can be carried a long distance to distribute by adhering to the fur or feathers of passing animals. It is very important to study the relationship and molecular mechanism between them. We use Medicago truncatula, a model plant of legume, as our research materials. Three mutants with short spines on its pod surface, a morphological character that can spread seeds by animals far away from the original place, were isolation from the M. truncatula Tnt1 inserting mutant population by the forward genetic screening approach. It is unclear about the molecular mechanism of fruit spine development until now. Hence, we aim to find out the key gene of these three mutants by the linkage analysis of the flanking sequences of the inserting elements and the map-based cloning approaches. Furthermore, with detail function analysis of this gene, we hope to find out the interacting proteins and the target genes of our candidate gene. It will help us to understand the molecular mechanism of the fruit spine development in M. truncatula.

种子传播是传播子体离开母株植物散布到新的生境去进行生长繁殖的过程，是当今进化生物学和保护生物学的研究热点之一。种子的传播方式是与植物的生活环境和形态学特征相适应的，如传播体表面具有刺、倒钩或黏液分泌，可通过粘附在动物的皮毛或羽毛上被携带到较远处传播。这种长距离传播对于研究物种的分布和进化具有非常重要的意义。本研究以豆科模式植物蒺藜苜蓿为材料，通过筛选蒺藜苜蓿的Tnt1插入突变体库，分离到三个短果刺突变体short spine(ss)。到现在为止，关于果实果刺发育的分子机制并不清楚。因此我们拟以这三个果刺突变体为突破口，采用分子遗传学的手段，通过插入侧翼序列的连锁分析或图位克隆的方法来克隆影响果刺发育的关键基因。然后通过深入的基因功能研究，找到上述候选基因的互作蛋白以及调控的下游靶基因，最终解析果刺发育的分子机制。

蒺藜苜蓿果荚表面具有硬刺，可适应动物的体外传播。同时，目前对植物刺的研究还主要集中于形态结构及发生规律方面，对其分子调控机理还不清楚，对具刺植物的开发利用也比较少。因此对蒺藜苜蓿果刺发育的研究，不仅具有理论意义，还具有应用意义。. 为了研究蒺藜苜蓿果刺的发育，本项目拟以三个短果刺突变体为研究材料，开展以下七个方面的研究内容：(1)突变体果刺变异的表型分析；(2)三个果刺突变体的遗传学分析；(3)三个突变体等位实验分析；(4)三个突变体中导致果刺变异基因的确定；(5)上述候选基因的组织表达模式分析；(6)上述候选基因的功能分析；(7)上述候选基因的同源性分析。. 通过本项目的研究，我们为研究果刺的发育提供了一些理论基础。通过分析野生型R108不同发育阶段果刺的解剖结构，了解了果刺的细胞学特征，可为植物刺的研究提供一些借鉴；通过果刺突变体的遗传分析，表明其短果刺均为单基因控制的隐性遗传性状；继而对三个突变体进行等位实验分析，表明为同一等位基因突变控制相同短果刺表型；对三个短果刺突变体进行全基因组重测序，分析Tnt1插入侧翼序列并进行连锁分析，确定了调控果刺发育的候选基因SSP1(Short Spine Pod 1)；通过基因SSP1在果荚中的原位杂交，确定了SSP1在发育的小果荚的外果皮边缘表达；构建了SSP1基因的遗传互补载体以及过表达载体，并获得部分阳性转化植株，可为后期分析SSP1基因在果刺发育中的分子机制提供基础。. 本项目通过对蒺藜苜蓿果刺发育的机制研究，不仅能为种子(果荚)适应动物传播提供分子基础，也为具刺植物的改良提供了借鉴。