miR172与其靶基因APETALA2对孩儿参二型花发育的调控作用研究

Individuals of cleistogamous species can produce both open chasmogamous flowers that are available for outcrossing and closed cleistogamous flowers that obligately self-fertilize. There are structural differences and functional differences exit in two floral forms. The genetic basis of production of two floral forms is poorly known. The interaction between microRNA miR172 and its APETALA2 (AP2) target gene is deeply conserved and has an ancient role in flower developmental regulation in angiosperms. AP2 is a floral organ identity gene, and negatively regulated by miR172. Recent studies in Arabidopsis, rice and other flowering plants have shown that miR172 and its AP2 target play important roles in the determination of floral organ identity. Pseudostellaria heterophylla belongs to Caryophyllaceae, which produces both chasmogamous and cleistogamous flowers on the same plant. On the basis of our previous comparative ontogenetic studies of this species, we want to understand what genetic factors are involved in the identity of floral organ and the differentiation of CH and CL flower in this cleistogamous species. To investigate the roles of miR172 and its AP2 target in flower development, AP2 gene will be identified in P. heterophylla, and differential expression of AP2 and miR172 in different floral organs and floral development stages of CH and CL flowers will be compared. This project will provide a new insight into the genetic basis of production of dimorphic flowers in cleistogamous species and origin of cleistogamous flowers, and has great significance for flower morphological evolution and breeding system evolution in flowering plants.

二型花植物在同一植株上或者是不同植株上产生开放异交的开放花和闭花自交的闭锁花。二型花植物的两种花型在形态和生殖功能上都表现不同，两种花型在发育过程中的遗传机制并不清楚。植物中保守存在的一个microRNA家族-miR172，可通过对花器官决定基因APETALA2（AP2）的翻译抑制作用，调控拟南芥、水稻等被子植物的花形态建成。孩儿参是石竹科中的一种二型花植物，植株顶端产生开放花，茎基部产生闭锁花。在对这两种花的花器官发生过程作了比较研究的基础上，为进一步研究二型花植物花形态分化的遗传机制，我们将从孩儿参中克隆AP2基因，比较研究AP2基因及miR172在开放花与闭锁花的不同花部器官及不同发育时期的表达，推测AP2基因及miR172在二型花的花形态的发生和发育中所起的作用。本项目从新的角度开展两种花形成的分子机制的研究，探索闭锁花的起源，对被子植物的花的形态演化和繁育系统进化具有重要意义。

二型花植物在同一植株上或者是不同植株上产生开放异交的开放花和闭花自交的闭锁花，两种花型在发育过程中的遗传机制并不清楚。植物中保守存在的miR172，可通过对花器官决定基因APETALA2（AP2）的翻译抑制作用，调控拟南芥、水稻等被子植物的花形态建成。孩儿参是石竹科中的一种二型花植物，可同时产生开放花和闭锁花。本项目首次从孩儿参的cDNA中分离出了与拟南芥AP2同源的基因PhAP2。PhAP2基因全长是2294bp，编码593个氨基酸。与其他物种的AP2基因比对，PhAP2具有2个AP2家族的特征域。系统发育分析表明孩儿参的PhAP2基因与石竹目的菠菜和甜菜有最近的关系。通过分析PhAP2的转录序列，得到了miR172与PhAP2的唯一裂解点位于编码区末端。.采用荧光定量qPCR方法以及原位杂交技术分析了AP2基因和miR172在不同组织和花发育的不同时期中的表达情况，结果显示PhAP2在孩儿参叶、花芽以及不同花器官中均有表达。PhAP2在开放花的花芽发育的早期阶段有较高的表达，在花瓣中转录水平也很高。PhAP2在闭锁花中表达量相对较低，在三个发育时期变化不大。采用茎环引物的RT-qPCR方法检测了miRNA的表达情况。miR172在孩儿参开放花花芽发育的后期呈现高表达，可在开放花的雌蕊和雄蕊中有高表达。而miR172 仅在闭锁花的后期有相对高的表达。原位杂交结果表明，PhAP2可在开放花和闭锁花的中央花原基、萼片原基中检测到表达。同时在开放花的雄蕊原基中也可检测，但闭锁花的雄蕊中并未检测到。miR172在花发育的早期的各个器官原基中均未检测到。孩儿参的PhAP2基因开放花和闭锁花的不同花部器官以及不同发育阶段均有较高水平的表达，说明PhAP2基因可参与开放花和闭锁花的花瓣或花萼的发生和发育。miR172在孩儿参花中的表达模式与AP2基因的表达成互补关系，表明miR172可通过负调控的作用控制AP2基因的表达，从而调控花发育的过程。miR172负调控AP2基因的表达在拟南芥的花发育过程是相同的。本研究对于认识被子植物中特殊两型花的花发生和形成的分子机制提供了重要的研究线索。项目资助已发表高水平的SCI期刊论文2篇，已投稿论文1篇，待整理论文2篇。