毛茛科中花瓣缺失的分子机制研究

Petals are usually the showiest organs of a flower with dimorphic perianth, and function to attract pollinators. Nevertheless, there are plant groups (including several species-rich lineages of angiosperms, such as the Piperaceae, Santalaceae, Moraceae, Ulmaceae, and Fagaceae) in which petals no longer exist, so that the flowers become apetalous. The mechanisms underlying petal losses are still unclear, yet it has been indicated that the parallel petal losses within the buttercup family (Ranunculaceae) are strongly correlated with decreased or eliminated expression of the APETALA3-3 (AP3-3) gene. Our own study, instead, showed that while silencing of AP3-3 can indeed lead to the loss of petals, it actually generated a phenotype that is different from those of naturally occurring apetalous species. Based on this observation, we argued that expansion of another gene, AGAMOUS1 (AG1), rather than inactivation or down-regulation of AP3-3 itself, was the real cause for parallel petal losses in naturally occurring apetalous species. A work model was therefore proposed to explain the genetic basis for the process. In this project, we propose to conduct a series of experiments to test whether our work model is correct, to uncover the molecular basis for parallel petal losses within the Ranunculaceae, and to shed light on the intrinsic and extrinsic reasons for petal losses in all other lineages. Because we will identify and investigate the function of several cis-regulatory elements, our work is actually related to regulatory evolution, and will very likely generate novel and exciting results.

花瓣通常是花中最显眼的器官，起到吸引传粉者的作用。但是，有些植物（包括被子植物中一些比较大的分支，如胡椒科、檀香科、桑科、榆科和壳斗科等）在进化的过程中丢失了花瓣，产生了无瓣花。导致花瓣丢失的遗传和分子机制尚不清楚，但在毛茛科中被发现与APETALA3-3（简称AP3-3）基因的不表达或者低表达密切相关。我们前期的研究发现尽管AP3-3的沉默能够导致花瓣的缺失，但其表型与野生的无花瓣物种有明显不同。通过分析，我们认为导致花瓣缺失的根本原因并不是AP3-3的沉默或者下调，而是AGAMOUS1（简称AG1）基因表达范围的外扩。据此，我们提出了一个可以验证的工作模型。本项目拟在已有工作的基础上，设计实验验证这个模型，揭示毛茛科中花瓣缺失的分子机制，探讨花瓣在毛茛科及其他类群中多次丢失的遗传基础和适应意义。由于涉及到对相关调控元件的鉴定和功能分析，本项目属于调控进化的范畴，有望取得创新性研究结果。

花瓣缺失的现象在被子植物中普遍存在，是植物适应特定生境的结果。花瓣在被子植物不同分支上发生过多次独立地丢失。毛茛科植物是研究花瓣缺失机制的理想材料。本项目在已有工作的基础上，以毛茛科有花瓣和无花瓣的多组种对为研究材料，从形态特征、基因表达、遗传转化和生物信息分析等方面对无花瓣物种花瓣缺失的过程、原因和机制进行了深入的研究。通过形态学比较研究，确认了花瓣的丢失是由于花瓣向雄蕊的同源转换造成的；通过基因表达式样比较研究，揭示了AG1基因的表达外扩与花瓣的丢失有重要关系；通过对调控区的功能研究，证明了调控区的差异很可能是导致AG1基因表达分化的关键；通过调控区序列结构的比较分析，鉴定出了在有花瓣和无花瓣物种之间存在差异的调控元件，阐明了WUS结合位点的突变可能是AG1基因表达外扩的重要原因；结合形态学、古植物学以及分子系统学等资料，提出了控制毛茛科中花瓣缺失的分子模型，探讨了花瓣在毛茛科及其他类群中多次丢失的遗传基础和适应意义。我们还完善了新的功能平台和研究技术体系，为使用非模式物种开展进化发育生物学研究提供了经验。本项目已在Biodiversity Science杂志上发表论文1篇，另有两篇文章正在撰写中；培养博士研究生3人，硕士研究生1人。本项目所取得的研究成果为人们探讨调控进化在生物进化中的作用，以及认识生物体形态和结构多样性的起源和演化机制提供了新的视角，推动了我国在进化发育生物学领域的研究。