花和花器官起源的分子机制研究

The origin of the flower is a basic issue of evolutionary biology and botany with intense investigation. In recent years, new advances in the fields of molecular phylogenetics and evolutionary developmental biology have not only corrected the mistakes in previous theories and models, but also proposed new and testable hypotheses, revealed possible processes through which the flower first originated, and discussed the contributions of the duplication and diversification of floral MADS-box genes to the origin of the flower. Previous studies can only provide general explanations for how the flower as a whole originated, but are insufficient for a complete understanding of the underlying mechanisms of the origins of different floral organs. In this project, on the basis of previous studies, we propose to reveal the molecular mechanisms of the origins of different floral organs, and establish a molecular model for the origin of the basic structure of the flower. To this end, we will, by choosing basal species in both angiosperms and gymnosperms and utilizing multi-disciplinary approaches, determine the key morphological changes associated with the origin of the carpel, stamen and perianth, respectively, identify the essential genes responsible for the origins of floral organs, and trace their evolutionary histories. Special attention will also be paid to the contributions of the changes of candidate genes in copy number, expression pattern, and coding and regulatory regions to the morphological and structural changes of the floral organs. We believe that launching of this project will not only yield new and exciting results, but also make breakthroughs in the study of the molecular mechanism of the origins of the flower and floral organs.

花的起源是进化生物学和植物学中的基本问题，长期以来备受关注。近年来，分子系统学和进化发育生物学研究的最新进展纠正了前人理论和模型中的问题，并提出了可验证的新假说、揭示了花起源的可能过程、探讨了花发育MADS-box基因的重复和分化对花的起源的贡献。然而，已有研究只能笼统地解释花作为一个整体是如何起源的，并不足以全面揭示花和花器官起源的根本机制。本项目拟在已有工作的基础上，选取被子植物和裸子植物的基部类群，利用多学科研究手段，揭示雌蕊、雄蕊和花被片等花器官在起源过程中发生的关键形态学变化，鉴定与各类花器官起源相关的基因及其变化，特别关注基因拷贝数目变化、表达模式分化以及编码区和调控区的分化对器官形态和结构改变的贡献，并在综合分析的基础上揭示各类花器官起源的分子机制、构建花基本结构起源的分子模型。本项目的开展有望在获得一批创新性研究成果的同时，在花和花器官起源的分子机制等问题上取得突破性进展。

花的起源是进化生物学和植物学中的基本问题，长期以来备受关注。近年来，分子系统学和进化发育生物学研究的最新进展纠正了前人理论和模型中的问题，并提出了可验证的新假说、揭示了花起源的可能过程、探讨了花发育MADS-box基因的重复和分化对花的起源的贡献。然而，已有研究并不足以全面揭示花和花器官起源的根本机制。本项目在已有研究的基础上，从不同层面研究了花和花器官起源的分子机制，所取得的研究成果包括：1）全面总结了与花和花器官起源相关的理论和假说，并提出了新观点，认为 “花的起源和基本结构的建立涉及诸多‘小’关键性状的改变”；2）澄清了花发育MADS-box基因之间的进化关系，提出“SEP类基因的起源及其自调控能力的获得可能是花起源的关键”的假说；3）发现RBV类基因的表达重排与雄蕊的起源密切相关；而且决定雄蕊身份的四聚体与RBV类基因之间调控关系的建立可能是该类基因表达发生重排的关键；4）通过比较转录组和系统发育分析，揭示了花发育基因的进化式样，发现不同类型花器官的调控程序与裸子植物雄性生殖结构的调控程序更为相似，支持主雄性理论。到目前为止，本项目在New Phytologist、Frontiers in Plant Science和《科学通报》上发表文章3篇。这些成果的取得不仅促进了我们对花和花器官起源机制的认识，而且为后续开展深入的研究奠定了坚实的基础。