菊花舌状花形态变异的遗传调控机制

The capitulum of chrysanthemum is composed of two types of single flower: ray floret and disc floret. The diversity of the capitulum form is determined by the variation of ray floret shape. Up to now, the regulatory mechanism of such variation is still not clear. It is proved that the variation of flower shape is relevant to floral homeotic genes, floral symmetry genes and petal growth regulation genes. We have found some ray floret shape mutants. The differential expression patterns of above-mentioned genes in different shape of ray florets were observed. Accordingly, we plan to clone the homologous genes by transcriptome analysis, then screening key gene in ray floret shape mutants using gene expression analysis and tissue specific RNA in situ hybridization. Then, verifying gene function in transgenic plants using overexpression and RNAi. Further, screening upstream genes, downstream genes and interacted genes on the basis of bioinformatics analysis, and infer the key gene-centric regulatory network. This study can reveal the genetic regulatory mechanism of ray floret variation in chrysanthemum and can also provide possibility for controlling of ray floret shape and then the capitulum form of chrysanthemum.

菊花是由舌状花和管状花两种单花构成的头状花序，其舌状花丰富的形态变异是决定菊花花型多样性的关键。迄今对这种变异形成的机制尚不清楚。分子遗传学研究表明，花器官发育的同源异型基因、对称性和花瓣生长相关基因的差异表达均可使花朵形态发生变化。本课题组前期研究获得了一些舌状花形态变异突变体，初步分析发现了上述同源基因在不同突变体中差异表达的现象。据此本项目拟通过转录组数据分析，进一步分离上述同源基因及其家族成员；以保存的各种舌状花形态变异突变体为材料，利用基因表达分析和核酸组织原位杂交技术筛选控制舌状花形态变异的关键基因；继而构建关键基因的超表达和RNAi株系，通过分析不同株系表型验证关键基因功能，进而筛选关键基因的上游调控、水平互作和下游受控基因。在生物信息学分析的基础上探讨围绕关键基因的遗传调控网络。这一研究不仅可以解析菊花舌状花形态变异的遗传调控机制，亦可为人工调控菊花花型奠定理论基础。

舌状花的形态变异是影响菊花千姿百态花型的重要因素之一。但目前对舌状花形态变异调控机制的了解知之甚少。本研究基于对菊属植物和栽培菊花部分品种花部形态分析、转录组测序分析以及利用遗传图谱进行分析，初步解析了菊花舌状花形态变异的机制。主要研究结果如下： .1）在资源考察中发现毛华菊（Chrysanthemum vestitum）舌状花形态有3种变异类型：平瓣、匙瓣和管瓣，有3种类型的植株：纯平瓣、纯管瓣和平管混合类型。在福建平潭和河北昌黎地区分布的野菊（Chrysanthemum indicum）和葫芦岛野菊（Chrysanthemum indicum var huludoesis）中均发现了舌状花形态变异的植株。引种栽培试验的结果显示，这些植株的花部形态变异稳定且营养元素对其花部形态没有影响。因此提出，舌状花形态变异是菊属植物广泛存在的一种可遗传变异，菊花舌状花丰富的变异类型很有可能起源于此。.2）对分布于安徽天柱山、河南栾川和内乡3个地区10个居群的毛华菊的14个形态性状进行Q型聚类分析发现，安徽天柱山的3个居群独立聚为一类，不同地区的毛华菊出现了分化。.3）栽培试验表明：毛华菊为典型的短日照植物，在达到14片叶时经过17.4 d短日照（12hL/12hD）处理后可现蕾。CvCRY2表达丰富受短日照影响，CvCRY2可能参与毛华菊的光周期成花途径。.4）对毛华菊不同瓣型样本的转录组分析发现，差异表达的基因分别属于bHLH、WRKY、NAC、ARF、ERF和TCP转录因子家族。RT-PCR结果表明，bHLH75在平瓣和匙瓣中不表达而在管瓣和管状花中高表达，这表明bHLH75可能是参与调控毛华菊舌状花形态变异的关键因子。.5）对151个中国传统大菊（Chrysanthemum × morifolium）品种舌状花形态性状进行分类分析发现：花冠筒基部合生程度（CTMD）、舌状花弯曲程度、花冠筒裂口形态以及附属物有无是决定舌状花形态的重要性状，据此构建了3类9型的舌状花形态分类体系。.6）利用CTMD值不同的栽培小菊（Chrysanthemum × morifolium）样本构建杂交群体进行混合遗传分析发现，CTMD的遗传受2对加性-显性主基因控制（B-2），且主基因遗传率大于50%。在已经构建的遗传图谱中检测到控制CTMD值的16个QTLs和3个主效QTLs。