蓍草属植物叶形变异的演化发育研究

演化发育研究着眼于个体发育过程在系统发育中的演变，探讨生物表型多样性的遗传基础，理解生物适应的发育演化过程。被子植物叶的形态变异是其表型多样性的最大贡献者，也是植物适应不同环境的具体体现；杂交多倍化是物种多样性增加和适应的重要途径。本项目拟选取菊科蓍草属遗传背景明确、叶形变异式样清晰、涉及杂交多倍化起源的四个物种，即齿叶蓍Achillea acuminata-2x和亚洲蓍A. asiatica-2x以及它们间的异缘四倍体物种高山蓍A. alpina-4x和云南蓍A. wilsoniana-4x，通过对叶形态发育调控基因CUC 和PIN1的分子进化、表达模式和功能分析，探讨种间叶形变异的遗传、发育和演化机制；同时比较自然杂交物种（高山蓍和云南蓍）和人工杂交、多倍化后代（齿叶蓍x 亚洲蓍）的叶形，比较它们叶形相关调控基因在表达模式上可能存在的差异，探讨杂交、多倍化对表型变异的影响及其遗传机制。

菊科植物的叶形具有丰富的变异， 而这一性状的状态又是该类群植物分类的重要鉴别特征之一。在东亚，分布有菊科蓍属的两个叶形分化强烈、系统发育关系较远的物种，即齿叶蓍（Achillea acuminata）和亚洲蓍（A. asiatica）。在两者的叶形之间，存在一系列连续变异的中间类型，分属于四倍体高山蓍和云南蓍。项目申请人前期的工作已表明，高山蓍（A. alpina-4x）和云南蓍（A. wilsoniana-4x）可能为齿叶蓍和亚洲蓍谱系经杂交多倍化而成。为探讨该表型变异与物种分化的关联，本研究采取演化发育生物学的手段，探讨蓍属叶形分化的遗传基础和发育途径。我们主要针对分化强烈的齿叶蓍和亚洲蓍，克隆了叶边缘形态发育调控基因NAM，对其进行了序列分析，表明它们与模式植物拟南芥中的叶齿发育调控基因CUC2为直系同源关系。通过 RNA原位杂交实验、qRT-PCR等表达模式分析，发现该基因的确在叶边缘由表达，且两个物种之间存在表达的时空模式差异。进一步，通过病毒介导的基因沉默技术和对拟南芥cuc2突变体的转基因互补实验，验证了Achillea-NAM的确具有调控叶齿长短、回数和数目的功能。此外，基于NAM 基因和若干其他核基因，进一步验证了四倍体高山蓍和云南蓍是由两个二倍体物种亚洲蓍和齿叶的蓍谱系经杂交多倍化而形成。利用这些核基因进行的居群动态历史分析发现，四倍体物种的遗传多样性低于理论水平，可能是形成初期的瓶颈效应所致；双亲部分同源等位基因间存在低水平的重组