荠属种内叶形自然变异的研究

Elucidating the genetic basis of morphological changes in evolution remains a major challenge in biology. Leaves of plants present an attractive model to address the genetic basis for morphological diversity at different scales because they show considerable variation between and within species, which correlates with the adaptation of plants. Despite the progress in understanding the genetic pathways controlling leaf shape diversity between species, their contribution to intraspecific differences in leaf shape is less known. Capsella rubella is a relative species of the model plant species Arabidopsis thaliana and has a huge variation on leaf shape among its ecotypes, so C. rubella is a great material to study the natural variation of leaf shape within species. It is an interesting question to understand what mutations lead to the leaf shape variation in this species, which is also important to improve our understanding of how this younger plant species adapt to more diverse environments based on limited genetic variation after an extreme bottleneck... To study this problem, we performed quantitative trait locus analysis in an F2 mapping population descended from a cross between the MTE and D strains, where the dissection of the leaf margin were differentiated greatly. After we isolated the causal gene, different transgene complementary experiments were performed in A. thaliana and C. rubella to prove that the candidate gene’s polymorphism was the direct cause for the leaf margin variation. Furthermore, a series of experiments will be carried out to understand how the allelic status of causal gene influences leaf shape. This study is the first time to exploit natural variation of leaf shape in C. rubella, which will not only provide us a new insight into the leaf shape diversity within species, but also help us explore the molecular basis of adaptive evolution of C. rubella.

形态的多样性如何产生一直是生物学研究领域非常重要的问题。植物叶形作为植物生存及适应环境的主要性状，研究其如何变异为揭示这一问题提供了重要线索。目前对叶形变异的研究主要集中在探究物种间叶形变异的调控机制，而对于物种内叶形变异的研究却十分有限。Capsella rubella作为拟南芥的一个近缘种，其种内不同品系间存在显著的叶形变异，是研究物种内叶形变异的极佳材料。虽然C. rubella具有较低的遗传多样性及等位基因变异，但却能适应更广泛的环境。本项目首次以C. rubella不同自然品系为研究对象，通过构建群体分离控制叶形变异的QTL位点，之后对候选基因进行功能验证并探讨其调控叶形变异的遗传机制；最后，推测基因自然变异影响荠属适应性进化的可能模型。本研究不仅利于发现物种内新的调控叶形变异的基因及其作用机制、完善种内叶形变异的研究，而且对于揭示拟南芥及其近缘种的适应性进化机制具有重要意义。

植物如何通过基因组自然变异适应生存环境一直是生物学研究领域非常重要的问题。形态的多样性和开花时间作为植物适应环境的主要性状，具有广泛而显著的变异，是揭示植物自然变异以适应生存环境很好的研究性状。Capsella rubella作为拟南芥的一个近缘种，不同品系间存在形态和开花时间的显著变异，是研究物种内多种性状自然变异的极好材料。此外，C.rubella起源时间较短，大约3万年前从它的异交祖先种C. grandiflora的一个单独个体中分离出来，转变为自交物种。由于经历了极端的瓶颈效应，C. rubella的遗传多样性及等位基因变异显著降低。然而相对于C. grandiflora，C. rubella却能适应更广泛的环境。因此，研究C. rubella种内不同性状的变异不仅可以帮助我们发现这些性状新的变异调控基因和作用机制，而且对于我们理解拟南芥及其近缘种的适应性进化的机制具有重要意义。. 我们在该项目的研究中除了探寻调控C. rubella 自然品系间叶缘变异的关键基因及其作用机制之外，主要关注于C. rubella不同自然品系开花时间的变异。本研究利用C. rubella晚开花品系和两个早开花品系杂交，分别构建了两个F2分离群体，利用图位克隆方法定位到决定C. rubella开花时间变异的关键基因是FLC，并对该位点进行了功能验证和机理研究。主要研究结果如下：.1、通过测序定位的方法，确定了FLC 是控制C. rubella不同品系开花自然变异的主效位点。.3、构建了多个遗传转化载体对FLC 不同等位基因进行了功能验证和分子机理研究。确定了5`UTR区域序列缺失是导致不同品系开花时间变异的核心原因。.4、一系列实验结果表明早花品系FLC allele 5’UTR区域不同长度的缺失主要通过影响CrFLC的染色质疏松及开放程度，以及提高CrFLC启动子区域的抑制型组蛋白修饰和降低激活型组蛋白修饰，从而降低CrFLC的表达量，使得植株提早开花。.我们的研究是第一次在植物中证明同一基因的5’UTR（非翻译区域）独立缺失的平行进化可以决定表型变异和物种适应性。同时，该研究阐明了进化在一定程度具有可预测性，并且揭示了基因的特定区域可能属于变异热点，更易于发生突变来影响表型变异，为理解进化的可预测性这一基本的生物学问题提供了关键实证。