园林花卉丹参和日本紫珠花型对称性转变的分子机制研究

To investigate the development mechanism of diversity of the flower shapes on ornamental plants has been one of the focuses on horticultural studies. The actinomorphic and zygomorphic flower are two distinct flower shapes in angiosperm plants. The recent comparative Evo-Devo researches from model systems indicates that the CYC-like genes of TCP transcription factor family are recruited independently multiple times in the evolution of zygomorphic flowers and the flower symmetry transitions. However, the molecular mechanism of the development of actinomorphic and zygomorphic flower is still ambiguous outside model plants, especially in wild flowers. Representatives of Salvia miltiorrhiza and Callicarpa japonica of Lamiaceae family are important horticultural plants with admirable attractions, which bear zygomorphic flowers and actinomorphic flowers, respectively. Therefore, this project selects S. miltiorrhiza and C. japonica as comparative models to address the question by focusing on the molecular mechanism of floral symmetry transition. Initially, CYC-like genes will be isolated based on the homologous cloning and followed by phylogenetic analysis to infer the evolution patterns. To analyze the expression pattern of CYC-like genes, real-time quantitative PCR and RNA in situ hybridization will be conducted. Furthermore, function of candidate gene in floral symmetry will be established via genetic transformation methods, including over-expression under the control of the 35S constitutive promoter and gene knock-down using VIGS. Therefore, the above mentioned combinatorial strategies from this project will be helpful to understand the underlying mechanism(s) of the flower symmetry transition in Lamiaceae family. The results of this study will offer a unique insights into the diversity of flower shapes in Lamiaceae family and provide the new insights on the possible way(s) for modifying the flower shapes by molecular breeding for horticultural plants.

揭示园林花卉花型多样化的形成机制，是园林植物学科的核心研究内容之一。两侧对称花和辐射对称花是两种截然不同的花型，以往在模式植物研究中显示CYC类基因（TCP转录因子家族成员）参与调控两侧对称花的形成以及花对称性的转变，但在非模式物种（如野生花卉）中其两侧对称花和辐射对称花形成的分子机制还不清晰。因此，本项目以唇形科鼠尾草属的丹参和紫珠属的日本紫珠为研究材料，丹参花冠呈两侧对称，而日本紫珠花冠呈辐射对称，这两种植物是重要的观赏花卉，研究其花对称性转变的分子机制。首先从这两种花卉中分离CYC类基因并进行系统发育分析，然后采用实时定量PCR和组织原位杂交方法分析这些基因的表达模式，最后利用过量表达和基因沉默等转基因方法研究CYC类基因的功能。通过本项目的研究，揭示唇形科花对称性变化的分子机制，为理解唇形科花型的多样性具有重要的理论意义，也为园林花卉的分子育种提供理论依据。

研究背景：被子植物不同类群中开展两侧对称花的研究表明CYC类基因多次独立地被招募到两侧对称花的形态建成过程中，其持续性的背特性表达是产生两侧对称花的一个必要条件，并且CYC类基因具有抑制雄蕊发育的功能。丹参（Salvia miltiorrhiza）是典型的两侧对称花，其花第三轮雄蕊具有十分明显的形态分化，侧部雄蕊退化，而腹部雄蕊特化为适应昆虫传粉的杠杆雄蕊，杠杆雄蕊的上部药室可育，而下部药室败育。那么，CYC类基因是否与可育药室和败育药室的分化有关呢？通过我们对丹参CYC类基因（SmCYC2A、SmCYC2B）的表达结果发现，它们在败育药室中并没有表达。因此，我们以可育药室和败育药室为材料，开展转录组测序研究，以期找到其药室分化的差异表达基因。.主要研究内容：本项目主要研究内容是唇形科（Lamiaceae）鼠尾草属（Salvia）的丹参（S. miltiorrhiza）两侧对称花形成的分子机制。另外，增加了丹参杠杆雄蕊的可育药室和败育药室的转录组测序研究。.重要结果和关键数据：完成丹参花发育过程观察；完成丹参花对称性基因分离及其结构研究；完成丹参花对称性基因的表达研究，结果表明在背部花瓣和侧部退化雄蕊中CYC类基因的表达量都很高，说明丹参两侧对称花的形成与CYC类基因的表达密切相关；正在进行转基因工作进行基因功能的研究。. 我们对丹参转录组差异基因进行分析，共发现了7027个差异基因分布在58个基因家族转录因子中，其中包含基因数量较多的基因家族有bHLH（640）、MYB-related（423）、NAC（418）和WRKY（386）基因家族。其中与花对称性相关的基因分布在MYB（239）基因家族和TCP（103）基因家族。通过对这342个基因的功能进行分析，我们着重选择8个与花对称性相关的基因，并通过qRT-PCR进行表达模式分析，发现在败育药室有CYC类基因的表达。另外，我们建立了高效的丹参组织培养体系，为基因功能的研究奠定了基础。.科学意义：唇形科花对称性的进化发育生物学的研究，将对理解被子植物花型多样性具有重要的意义。另外，对唇形科鼠尾草属杠杆雄蕊的研究将为解释鼠尾草属物种多样性提供一定的理论基础。