毛茛科花器官螺旋状和轮状排列的分子机制研究

Phyllotaxy is one of the most important attributes of a flower and can be divided into two main types, i.e. spiral and whorled. During the evolution of flowering plants, transition from spiral to whorled floral phyllotaxy seems to have occurred independently in different lineages, and has directly or indirectly contributed to the success of angiosperms. Previous studies have shown that the establishment of floral phylltaxy is possibly not only correlated to the determination and regulation of floral meristems and the specification of floral organ identities, but also involved in the recruitment of the regulatory programs for leaf phyllotaxy. However, due to the lack of suitable model systems, very little is known about the molecular mechanisms of floral phyllotaxy. The Ranunculaceae is an excellent system for studying floral phyllotaxy because it contains species that produce spiral flowers as well as those that produce whorled flowers. In this project, on the base of our previous work, we propose to use members of Nigella and Aquilegia, the two genera with spiral and whorled floral phyllotaxy, respectively, as model species, utilize the evolutionary developmental (evo-devo) approaches together with computer modeling, identify key genes and gene regulatory networks controlling floral phyllotaxy, reveal the molecular mechanisms underlying the transitions between spiral and whorled floral phyllotaxy, and discuss the universal laws and adaptive significance of changes in floral phyllotaxy during angiosperm evolution.

花器官的排列方式是花的重要属性之一，主要分为轮状和螺旋状两种类型。在被子植物的演化过程中，花器官排列方式曾多次发生转变，直接或间接地促进了被子植物的繁盛。已有研究表明，花器官排列方式的建立既可能与花分生组织的决定和调控以及花器官身份的决定等过程相互联系，又可能涉及对叶序调控程序的招募。然而，由于缺乏合适的研究体系，目前对花器官排列方式分子机制的了解较少。毛茛科既有螺旋状花又有轮状花，而且花器官排列方式的转变在该科植物的演化过程中多次发生，是研究花器官排列方式的理想材料。本项目拟在已有工作的基础上，以毛茛科中具有轮状排列花器官的耧斗菜属植物和具有螺旋状排列花器官的黑种草属植物为研究材料，运用进化发育生物学的研究手段，并借助计算机模拟，鉴定控制花器官排列方式的关键基因和调控网络，揭示导致花器官排列方式改变的分子机制，探讨被子植物演化过程中花器官排列方式改变的普遍规律及其适应性意义。

花器官的排列方式是花的重要属性之一，主要分为轮状和螺旋状两种类型。在被子植物的演化过程中，花器官排列方式曾多次发生转变，直接或间接地促进了被子植物的繁盛。已有研究表明，花器官排列方式的建立既可能与花分生组织的决定和调控以及花器官身份的决定等过程相互联系，又可能涉及对叶序调控程序的招募。然而，由于缺乏合适的研究体系，目前对花器官排列方式分子机制的了解较少。毛茛科既有螺旋状花又有轮状花，而且花器官排列方式的转变在该科植物的演化过程中多次发生，是研究花器官排列方式的理想材料。本项目在已有研究的基础上，从不同层面研究了花器官排列方式转变的分子机制，所取得的研究成果包括：1）全面总结了影响花器官排列方式的因素，主要包括生长素浓度的动态变化和花分生组织中干细胞相对数量；2）鉴定了大马士革黑种草和蓝花耧斗菜中影响生长素浓度梯度和花分生组织干细胞维持的相关基因；3）发现生长素的极性运输决定花器官排列方式；4）发现花分生组织中干细胞的相对数量可以解释花器官排列方式的转变；5）基于轮状花和螺旋状花中花器官原基的形态学数据构建了花器官排列方式的计算机模型，并通过关键基因的表达模式优化花器官排列方式的模型；6）基于形态学观察和计算机模拟发现花器官排列方式转变的调控机制极其复杂。到目前为止，本项目在《中国科学：生物科学》上发表文章1篇。这些成果的取得不仅促进了我们对花器官排列方式机制的认识，而且为后续开展深入的研究奠定了坚实的基础。