红花玉兰及多瓣红花玉兰花器官特征决定B类基因的表达模式和功能分析

红花玉兰( Magnolia wufengensis)及多瓣红花玉兰（M. wufengensis var. multitepala）是近年新发现的木兰科木兰属新种和新变种。因其丰富的自然变异类型以及在系统演化上所处的重要位置，已成为研究花器官形态分化、花被片起源和发育分子机制的理想材料。B类基因是参与控制雄蕊和花瓣发育的关键转录因子，大量研究表明，被子植物花器官形态多样化与B类基因的表达模式变化和功能分化相关。本项目拟在已有的工作基础上，利用植物显微技术、原位杂交、实时荧光定量PCR、拟南芥转基因等技术，系统研究红花玉兰及多瓣红花玉兰B类基因在花发育过程中的表达模式和功能，及其协同C类基因参与花器官形态分化的调控过程；进而探讨红花玉兰及多瓣红花玉兰花形态多样化的分子机制。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花木种质创新等奠定重要的理论基础。

被子植物B类基因包含APETALA3 (AP3)/DEFICIENS (DEF)和PISTILLATA (PI) /GLOBOSA (GLO) 2个主要的进化系，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。红花玉兰(Magnolia wufengensis L.Y.Ma et L.R.Wang)是近年在湖北五峰境内发现的木兰科(Magnoliaceae)木兰属(Magnolia) 新种，其花被片9到32片、型色各异、自然变异丰富。该物种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，从红花玉兰花芽中分离出AP3/DEF进化系基因MAwuAP3_1和MAwuAP3_2，PI/GLO进化系基因MAwuPI。蛋白序列同源比对和分子系统发生分析表明：MAwuAP3_1和MAwuAP3_2基因属于AP3/DEF进化系中的paleoAP3型基因，MAwuPI属PI/GLO进化系基因，3者编码的转录因子均包含M、I、K和C共4个保守的结构域。表达模式分析表明：红花玉兰3个AP3/PI 同源基因仅在花被片和雄蕊中表达，在幼叶和雌蕊中不表达；并且，MAwuAP3_1和MAwuPI在花被片和雄蕊迅速生长期表达量较高，在花芽休眠期表达量较低，而MAwuAP3_2仅在花被片和雄蕊原基分化期维持较高的表达水平，并随着花芽发育持续降低。进一步功能分析表明：红花玉兰MAwuAP3_1和MAwuAP3_2仅能将拟南芥ap3-3突变体的雄蕊部分恢复，并使第1轮萼片部分瓣化；同时，2者在拟南芥中异位表达能将最外轮萼片瓣化，并使转基因拟南芥增加1到3枚花瓣；而红花玉兰MAwuPI基因仅能部分替代内源PI基因，参与调控拟南芥雄蕊发育。该研究在弄清红花玉兰AP3/PI同源基因表达模式和功能的同时，为解析红花玉兰及多瓣红花玉兰花被片和雄蕊发育调控，B功能基因在被植物早期进化积累了资料.