等位基因在多个基因座上的相互作用及其表型效应

How phenotypic variations arise from genetic variations remains an enigma in evolutionary biology，which requires well-understood molecular systems and valid analytical tools to be addressed. Meanwhile, allelic polymorphism is widely found among genomic loci, yet little is known about their roles in micro-evolution. We attempt here to use the anthocyanin pathway in Ipomoea purpurea to conduct a pilot analysis on three basic aspects concerning two classes of allelic polymorphism - one at the regulatory gene loci and the other at structural gene loci: (1) the interaction variation between regulatory factor (TF) and their targets (regulons) at the cis regulatory region, (2) the effect of such interaction on the end product of the pathway, and (3) likely impact of the end product accumulation on the fitness of plant. We plan to examine among combinations of different TF and regulons the promoter activities, gene expression levels, the product accumulations of the floral anthocyanin pathway, and the fitness variation to understand the consequence of TF-DNA interaction in biology and in evolution.

表型多样性如何从遗传多样性产生目前仍是进化生物学的未解难题，需要成熟的分子系统和有效的解析手段才有可能探索这一问题。同时等位基因多态现象普遍存在于基因组中，它们对微进化过程有什么影响、能否构成基因组内微进化动力的来源尚缺乏系统研究。为了推动对基因多态在进化过程中作用的认识，我们拟利用知识体系较完整的圆叶牵牛花青素代谢途径来研究关于基因多态的三个相互关联的方面：（1）调控因子（TF）的等位基因与目标基因（regulon)的等位基因之间互作带来的基因表达变异范围，（2）TF-regulon互作通过花青素代谢途径对花色表型的影响 ，（3）这些表型变异能否带来适合度的改变。从已获得的圆叶牵牛花青素代谢途径等位基因系列中，我们通过比较不同组合的等位基因之间的启动子活性、基因表达、花青素积累、花色变异和适合度变异来阐述TF-regulon互作的生物学及进化意义。

遗传多样性的改变如何影响表型多样性是生物学上长期受到关注的一个难题。对该问题的探索不仅对进化生物学意义非凡，也对应用生物科学和生态环境保护有直接影响。围绕这一难题，本项目从“等位基因在多个基因座上的相互作用及其表型效应”方向开展研究，利用知识体系较完整的圆叶牵牛花青素代谢途径来研究关于基因多态的三个相互关联的问题：（1）调控因子（TF）的等位基因与目标基因（regulon)的等位基因之间互作带来的基因表达变异范围如何，（2）TF-regulon互作通过花青素代谢途径对花色表型有何影响 ，（3）这些表型变异能否带来适合度的改变。我们的探索涉及植物自然生长条件下的基因表达定量研究、整个代谢途径上等位基因的克隆和功能分析、启动子顺式元件的生物信息学分析和试验求证、基因和蛋白互作、蛋白与蛋白互作、表型分析、转录本丰度变异和表达模式分析、传粉者与花色互作分析、环境因子分析以及植物适合度分析等多个方面的工作。这些分析和研究产生了对相关问题前所未有的认识，主要反映在以下方面。（1）自然界中同一组织的基因表达可以受到环境、等位基因和TF-regulon互作的影响。在三个调控基因座（IpMYB1、IpbHLH2、 IpWDR1）上不同等位基因的组合、目标基因的不同等位基因之间，基因表达变异范围从无变化到达到数十倍。种间不同的TF组合可以给同一基因带来其表达量的百倍变异。（2）对代谢途径而言，调控基因对目标基因的表达有严格控制。这种调控落实到每个酶基因上，但调控模式在基因间并不一致。圆叶牵牛花青素代谢途径被两种调控模式影响。一个是受IpMYB1主导，另一个受到 IpWDR1主导。（3）酶基因的表达量对花瓣中花青素的积累有当下和滞后等影响模式，而花青素三个主要成份的积累量分别或共同影响花色不同参数的变化。（4）在自然环境中，同一色系的不同花色参数变化可以带来植物适合度的改变。这种改变主要是通过影响昆虫传粉和结实率而实现的。通过本项目，我们开创了研究自然环境下从基因表达到表型变异的系统评估方法。初步揭示了其中的一些重要规律。而贯穿本项目过程中的方法创新和改良可以用于多种生物系统。本项目研究内容的发表已经和将会产生较大的影响，为推动“生态与进化基因组学”的发展做出良多贡献。