毛茛科植物中导致AP3-3基因沉默的机制及其与花瓣缺失的关系研究

花瓣缺失现象在被子植物中普遍存在，而且在不同类群中多次发生，但其内在机制并不清楚。毛茛科是研究花瓣缺失问题的理想材料。已有的研究结果表明，该科植物的祖先中是有花瓣的，但在许多分支上发生了花瓣丢失事件。我们在前一个基金项目的资助下，确认了花瓣有无和AP3-3基因表达与否之间的相关性，且发现导致该基因沉默的机制在不同类群中并不相同。但由于毛茛科很大，花部性状的变异极为复杂，花瓣缺失在不同类群中的独立发生可能存在着更为复杂多样的机制。本项目拟在已有研究的基础上，在转录水平和基因组层面上对该科更多代表性物种进行研究，分析和比较AP3-3基因及其他相关基因在序列上的异同，并利用基因表达、基因沉默和转基因手段，揭示这些基因在花瓣发育过程中的作用以及该基因沉默与花瓣缺失的关系，探讨花瓣状器官平行演化的分子机制及其适应性意义。本项目的开展将为进一步认识被子植物花部性状发育和演化的遗传和分子机制提供新思路。

花瓣缺失现象在被子植物中普遍存在，且是平行演化的结果，但其内在机制并不清楚。毛茛科是研究花瓣缺失问题的理想材料。已有的研究结果表明，该科植物的祖先中是有花瓣的，但在许多分支上发生了花瓣丢失事件，而且花瓣有无和AP3-3基因表达与否之间有相关性，且发现导致该基因沉默的机制在不同类群中并不相同。本项目在已有研究的基础上，我们在转录水平和基因组层面上对该科更多代表性物种进行研究，分析和比较AP3-3基因及其他相关基因在序列上的异同，并利用基因表达和基因沉默的手段，研究了AP3-3基因在花瓣发育过程中的作用以及该基因沉默与花瓣缺失的关系，探讨了花瓣状器官平行演化的分子机制及其适应性意义。研究结果表明，1）毛茛科植物的花瓣从形态学本质上可以分为两类，一类是真正的花瓣，即所谓的蜜腺叶，均有分泌组织；另外一类为退化雄蕊，这一类型的花瓣存在于铁线莲属和白头翁属部分物种以及狭义的类叶升麻属中。2）在21个种中克隆到了51个AP3类基因，其中34个基因获得了基因组序列，系统发育分析表明，这些基因分别属于AP3-1、AP3-2和AP3-3三个不同的分支。3）在没有花瓣的物种当中，导致AP3-3基因不表达的原因既可以是发生在编码区的突变（铁破锣的BecaAP3-3基因）或调控区的突变（拟扁果草的EnraAP3-3基因），也可以是转座子插入（大马士革黑种草重萼突变体的Nidaap3-3基因）或假外显子化（铁线莲属的AP3-3基因），甚至是整个基因的丢失（瓣蕊唐松草的AP3-3基因），此结果表明导致毛茛科AP3-3基因不表达或沉默的原因是平行演化的结果。第四，利用病毒诱导的基因沉默（VIGS）体系对大马士革黑种草NidaAP3-3基因的功能进行研究，结果发现NidaAP3-3基因不但是决定花瓣身份的关键基因，还对花瓣的形态建成起重要作用。总之，该项目不但在揭示毛茛科花瓣形态学本质以及花瓣平行丢失的分子机制方面取得了重要进展，同时也为理解花瓣形态结构多样化的分子机制奠定了基础。