黑种草属植物中AP3-3基因表达量的调控进化及其对花瓣形态多样性的贡献

Change of gene expression pattern in time, space and amount is the main driving force for the evolution of biological characters. Among them, change of gene expression level is possibly the most special and important one, but is poorly studied. So far, the reasons for alteration of gene expression level, and how the alteration of gene expression level contributes to the evolution of plant characters are not clear yet. In our previous study, we unexpectedly found that the expression level of APETALA3-3 (AP3-3) was closely related to the complexity of petal shape in Nigella species. To understand the mechanisms for the regulation of AP3-3 expression level in Nigella and its influence on the evolution of petals, further detailed studies are needed. Based on previous work, in this project, we will, first, reveal the relationship between expression level of AP3-3 and complexity of petals in different species through gene expression and morphological studies; second, identity the cis-regulatory elements that influence AP3-3 expression level by bioinformatics tools; third, elucidate the molecular mechanisms underlying change of AP3-3 expression level via functional studies, and then discuss the genetic basis and adaptive significance of petal shape variation in Nigella. This study will provide new insights into the mechanisms for the regulation of gene expression level in Ranunculaceae or even all the angiosperms.

基因表达模式在时、空、量等方面的变化是推动生物性状进化的重要驱动力。其中，表达量的变化可能是最特殊、最重要但又最鲜为人知的。目前，导致表达量改变的原因以及表达量改变对植物性状演化的贡献还不清楚。项目申请人在前期的研究工作中，意外地发现黑种草属植物（Nigella）APETALA3-3（AP3-3）基因表达量的高低与花瓣形态的复杂度密切相关。然而，我们对黑种草属AP3-3基因表达量的调控机制及其影响花瓣形态进化的作用方式尚不清楚。本项目拟在已有工作基础上，首先通过基因表达和形态学研究确定AP3-3基因表达量和花瓣复杂度之间的相关性；其次通过生物信息学分析鉴定出影响AP3-3基因表达量的顺式调控元件；最后通过功能研究揭示AP3-3基因表达量变化的分子机制，并由此探讨黑种草属花瓣形态结构变化的遗传基础和适应性意义。本项目还将为认识毛茛科乃至整个被子植物关键基因表达量的调节机制提供新的思路和见解。

基因表达模式在时、空、量等方面的变化是推动生物性状进化的重要驱动力。其中，表达量的变化可能是最特殊、最重要但又最鲜为人知的。目前，导致表达量改变的原因以及表达量改变对植物性状演化的贡献还不清楚。我们在前期的研究工作中，意外地发现黑种草属植物（Nigella）APETALA3-3（AP3-3）基因表达量的高低与花瓣形态的复杂度密切相关。然而，我们对黑种草属AP3-3基因表达量的调控机制及其影响花瓣形态进化的作用方式尚不清楚。在本项目中，我们选取了该属更多代表物种对该问题进行了研究，具体结果如下：1）AP3-3基因表达量的高低与该属花瓣形态结构差异之间的确存在相关性；2）通过预测和分析AP3类基因启动子，鉴定了一个可能与表达量高低有关的转录因子结合位点；3）正在利用转基因和CRISPR/Cas9基因编辑技术分别对大马士革黑种草NidaAP3-3基因编码区和转录因子结合位点的功能进行验证，以期揭示该基因表达量变化对花瓣形态结构的影响；4）通过转录组分析，鉴定了一个可能受NidaAP3-3表达量影响的下游基因，表达和功能研究发现它对控制大马士革黑种草花瓣形态结构变化起关键作用。总之，该项目围绕着黑种草属AP3-3基因，从上游调控区和下游基因两个层面分析了该基因表达量变化的机制，及其对花瓣形态结构的影响。这些结果为理解基因的调控进化对生物性状的多样化的贡献提供线索。