苦荞与甜荞花同源异型B类基因的表达模式和功能比较

荞麦是蓼科荞麦属药食同源的经济作物，苦荞(Fagopyrum tataricum)和甜荞(F. esculentum)是两个主要的栽培种，两者花被形态差异显著，直接导致其传粉式样的不同，成为比较研究双子叶植物3轮花器官发育模式不可多得的材料。在花发育过程中，花同源异型B类基因是参与决定雄蕊和花瓣特征的重要转录因子，其表达模式和功能在不同被子植物类群中呈现出一定差异，进而造成花被形态多样化。本项目拟利用同源克隆技术、原位杂交技术、正义遗传学手段等方法，对B类基因在苦荞和甜荞3轮花器官中的表达模式和功能进行系统的比较研究，以弄清苦荞和甜荞花被形态差异、荞麦属植物种间演化和花被分化的分子机制，进而为荞麦属植物传粉式样进化的研究奠定分子基础，并为被子植物花被的起源和演化研究积累资料。

被子植物B类基因包括APETALA3 (AP3)/DEFICIENS (DEF)和PISTILLATA (PI) /GLOBOSA (GLO)同源基因2个进化系，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。荞麦是蓼科荞麦属药食同源的非禾谷类粮食作物，有苦荞(Fagopyrum tataricum)和甜荞(F. esculentum)两个主要的栽培种，其仅具1轮花被，无花萼和花瓣之分，这种3轮花器官的结构与核心真双子叶植物中典型4轮花器官的结构有很大差异。本研究结合同源克隆和RACE技术，分别从甜荞品种‘北早生’和苦荞品种‘九江苦荞’中分离出AP3/DEF进化系基因FaesAP3和FataAP3，PI/GLO进化系基因FaesPI和FataPI。蛋白序列同源比对和分子系统发生分析表明：甜荞FaesAP3与苦荞 FataAP3基因属于AP3 / DEF进化系中的euAP3型基因，其在进化上十分保守，蛋白序列相似性高达97.72%；甜荞FaesPI与苦荞 FataPI基因则属于GLO / PI 进化系，2者蛋白序列相似性高达97.18%；这些B类基因都包含M、I、K和C共4个保守的结构域。表达模式分析表明：荞麦FaesAP3和FaesPI仅在发育的雄蕊中表达，与其他类群被子植物中B类基因在花瓣（花被片）和雄蕊中的表达模式有很大的差异。进一步功能分析表明：甜荞FaesAP3仅能将拟南芥ap3-3突变体的雄蕊恢复，但不参与其花瓣的发育调控；甜荞FaesPI基因也能部分替代拟南芥内源PI基因，恢复拟南芥pi-1突变体的雄蕊，也不参与其花瓣发育调控。荞麦2类B类基因的表达模式和生理功能高度一致，相互依懒，共同参与调控荞麦雄蕊的正常发育，是参与控制荞麦雄蕊正常发育的专性转录因子。该研究结果在解析荞麦雄蕊发育调控分子机制的同时，为荞麦雄性不育系的创制与分子改良提供了重要的基因资源。