小草蔻花发育MADs-box基因的功能及进化研究

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同源异形是指生物体的一部分被另一部分取代,它也可以被描述成是形态异位,然而这种取代可以是形态、功能、生理、化学的取代。同源异形对姜目类群尤其是姜群的演化起了非常重要的作用。本文以姜科山姜属小草蔻为研究材料,主要进行以下研究:  1.花发育相关基因的分离和序列结构分析。根据单子叶植物的MADS-box序列信息,应用RACE技术从小草蔻克隆到了一个控制花发育基因的E类SEP-like基因AhSEP3b。  2.AP1/AGL9谱系基因的功能及进化研究  对AP1-like基因AhFUL、E类基因AhSEP3b及AGL6类基因AhA GL6-like这三个在MADS-box基因家族中亲缘关系相对较近的三个亚家族所形成的AP1/AGL9谱系进行表达、定位、蛋白互作、转基因等研究。定量结果显示AhFUL在叶、苞片、萼片和心皮表达;AhAGL6-like基因的表达局限于花器官,而不在营养器官表达,尽管其表达在唇瓣很弱;AhSEP4在叶片和花器官都表达,而AhSEP3b的表达也只限于花器官,并且萼片的表达量很低。转基因拟南芥发现AhFUL基因通过调节拟南芥内源LFY和FT基因的上调从而参与开花时间的调控,即促进花分生组织的形成。但是转基因拟南芥花的形态却表现出了ap1基因突变体的形态,这很有可能是由于AhFUL基因作为显性负效应因子,阻碍了AP1基因所编码蛋白形成了功能蛋白聚合体。然而过表达AhSEP4基因的拟南芥与野生型相比没有任何表型差异。检测到七对蛋白互作(AhFUL-AhSEP4,AhFUL-AhAGL6-like, AhFUL-AhSEP3b, AhSEP4-AhAGL6-like,AhSEP4-AhSEP3b,AhAGL6-like-AhSEP3b,AhSEP3b-AhSEP3b),重建祖先互作关系发现10对蛋白互作组合中AP1-SEP的互作关系是非常保守的,而AP1-AP1和AGL2-AGL2的互作在不同物种中则比较复杂多变。  3.B、C类基因的功能的研究  扩增B、C类的三个基因AhAP3、AhPI和AhAG包括读码框的基因组全长,通过对这三个基因的基因组全长进行分析发现,同源基因之间虽然内含子的大小差异比较大但其位置是相对保守的,而外显子的大小比较一致;未发现AhAG基因组第二个内含子具有同源基因组的典型结构。蛋白互作结果表明B类的AP3和PI可以形成异源二聚体。转基因拟南芥发现AhAP3和AhPI超表达没有对花序和花结构产生影响。AhAG的超表达导致早花,萼片和花瓣都缩短变窄,但没有发生花器官同源异形转化;角果发育受阻,皱缩且变短。说明AhAG在序列上可能是C类基因,而表达模式和转基因结果却暗示它可能行使的是D类功能。  基于以上结果,A类基因AhFUL和E类基因AhSEP4、AhSEP3b控制花萼;A类基因AhFUL、B类基因AhAP3和AhPI,以及E类基因AhSEP4和AhSEP3b,控制花瓣;B类基因AhAP3和AhPI,C类基因AhAG,以及E类基因AhSEP4和AhSEP3b,AhAGL6控制雄蕊;AhAG和AhFUL控制心皮;D类基因决定心皮/胚珠;另外,AhAGL6在唇瓣低表达,这种低表达可能促进了雄蕊成员花瓣化。探讨了小草蔻花发育的分子机制,为揭示姜科花部形态多样性和花发育分子机制奠定了基础。
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