姜科唇瓣的发生、发育及其分子机理研究

As the fertile stamens decrease, the petaloid structures develop and tend to dominate the floral display throughout the evolutionary process of the Zingiberales, and Zingiberaceae is the key nodes and important clues of the staminodes evolutionary. The labellum is believed to be a petaloid structure which evolved from the staminodes, and labellum is replaced by two fertile stamens in abnormal flower, implying the B and C MADS-box genes involved in the labellum formation in the Zingiberaceae. However, the labellum is considerably different from the petal, thus may suggest different molecular regulatory pathway responsible for the homeotic result. We cloned B and C MADS-box genes from the Alpinia hainanensis in Zingiberaceae, and found that 70bp-CCAATCA lost in the second intron of C MADS-box gene by comparison with the homologs. We aim at investigating the labellum regulatory network through molecular evolution, expression pattern, protein-protein interactions, and gene functions in Alpinia hainanensis combined with the genome information of non-petaloid staminodes species Musa acuminata. The project will hopefully not only provide a new evidence to ginger staminode evolution, but also contribute to reveal the evolution of flower homeosis and molecular mechanism of morphological diversity in the Zingiberales.

姜目的进化过程是可育雄蕊数目递减而花瓣状结构发育并逐渐占据整朵花的过程，其中姜科是研究退化雄蕊进化的关键节点和重要线索。姜科的唇瓣是由两枚退化雄蕊发展而来的花瓣状结构，异常花的唇瓣由2枚发育完全的可育雄蕊代替，这暗示B、 C类MADS-box基因参与了唇瓣的形态建成。然而，这种花瓣状结构并不等同于花瓣，因此我们推测唇瓣可能通过不同的分子调控途径表现出同源异形的进化结果。对姜科植物小草蔻克隆到的C类基因分析发现第二个内含子缺失了同源基因应具备的70bp-CCAATCA。本项目拟以姜科植物小草蔻为研究材料，分析B、C基因的进化、表达模式、蛋白互作以及基因功能，结合芭蕉科中没有花瓣状退化雄蕊的小果野蕉全基因组测序信息，探讨姜科唇瓣形态建成的调控网络。本项目的开展不仅有望为解释姜科退化雄蕊的进化提供新证据，还为揭示姜目花部同源异形的演化过程和形态多样性形成的分子机制奠定基础。

姜目植物花的进化是可育雄蕊数目从6（5）到1到1/2逐步递减，同时花瓣状结构发育并逐渐占据整朵花的过程。姜科作为这个过程的一环，是研究退化雄蕊进化的关键节点和重要线索。我们对比了姜目八科中代表植物B、C类MADS-box基因的表达模式，发现这些基因均在雄蕊中表达。在姜群中，B类基因在唇瓣中表达，在萼片和花瓣中也有表达，C类基因在萼片、花瓣和唇瓣中表达较芭蕉家族广泛。我们分析了光叶山姜（Alpinia intermedia ‘shengzhen’）异常花的解剖结构和雄蕊花维管系统的起源，发现异常花和文献已报道的异常花结构有相似之处，其形成是有一定规律的。根据目前已研究的20多个物种的解剖结构，雄蕊的维管束与心皮背束和隔膜束相关，而且构成唇瓣的退化雄蕊的数目在很大程度上取决于退化雄蕊的发育。正常花和异常花的心皮背束和隔膜束在原位置分离出来之前，维管束先形成聚合维管束丛。心皮背束进入外轮雄蕊，隔膜束进入内轮雄蕊。我们克隆了小草蔻（Alpinia hainanensis）B、C类MADS-box全长基因和内含子序列，制备了酵母文库。酵母双杂交和双分子荧光显示B类的AhPI和AhAP3可以互作形成异源二聚体，但这种互作没有发生在B、C类蛋白之间。异源表达B、C类基因到拟南芥，B类基因并没有对拟南芥的发育和花期造成影响，而表达C类基因AhAG得到了花器官变小，角果发育受影响而变得皱缩的表型，并且花期提前。我们提出了姜科发育模型，探讨姜科植物唇瓣形态建成的调控网络，上述结果表明姜科唇瓣发生发育的调控机制比预期更复杂。在研究中获得了有潜在应用价值的异常花活植物材料。研究结果已经撰写了两篇论文，目前正在投稿中，在第八届国际姜目研讨会上做了口头报告。