鸢尾科鸢尾属植物花柱分枝花瓣状的分子机制

The style of Iridaceae is slender and more or less filiform but always divided and elaborated above in a variety of ways, often characteristic of a subfamily,tribe or genus. The nature of the style branches is thus important for understanding relationships within the Iridaceae,something that was appreciated by early botanists who developed classification of the family. The 'ABC model', 'ABCE model' and 'quartet model', which have been widely accepted, were proposed to explain how the floral organ identity genes specify the identity of the different floral organs. Three species are selected and each represents one type of style branchs. The morphological changes of flattened, petaloid style branches of Iris, tangentially flattened style branches of Belamcanda and deeply bifurate and filiform style branches of Freesia are observed. In the project, advanced experimental methods and techniques are used to study the sequence structures, expression patterns and protein-protein interactions of A, B and C MADS-box genes. Combined with the phylogeny and ontogeny of floral organs, the roles that floral organ identity genes play in the morphological change of style branches are discussed. The results will reveal the molecular basis of petaloid style branches of Iris. The study will provide new materials for the floral morphology diversification of angiosperms (especially the female reproductive structures) and new proof for the theory of floral development and evolution.

鸢尾科植物的花柱尽管在粗细程度上有所差异，但都形成分枝的结构，并且分枝的形态变化多样，很早就有植物学家将花柱分枝的多样化作为不同亚科、族和属等级植物分类的鉴定依据。所以，了解花柱分枝的本质不仅对探究鸢尾科植物亲缘关系至关重要，而且可以解释花柱分枝形态的多样性。根据花发育的"ABC模型"、"ABCE模型"和"四元体模型"，与花器官直接发生和发育相关的基因为花器官特征基因。本项目将三种可比对研究的花柱分枝形态（扁平的花瓣状花柱分枝、略微扁平的花柱分枝和细丝状的花柱分枝）与A、B和C类MADS-box基因的序列结构、表达式样及蛋白互作的差异相关联，结合物种间系统发育关系及花柱的发生和发育过程等资料，推测花器官特征基因在花柱形态变化中扮演的角色，揭示鸢尾属植物花柱分枝花瓣状的分子机制，为被子植物花器官（特别是雌性生殖结构）形态的多样性提供新的资料，为丰富和发展花发育和进化理论提供新的证据。

鸢尾科植物的花柱分枝形态多样，是科下等级分类的重要依据。鸢尾科植物典型的花柱分枝形态包括鸢尾属的花瓣状的花柱分枝；射干属的增厚扁平的花柱分枝；唐菖蒲属略扁宽的花柱分枝和香雪兰属细长柱状的花柱分枝。为探讨鸢尾科花柱分枝形态的演化，我们观察了3属3种鸢尾科植物的花形态发育；从4属5种鸢尾科植物中克隆了23个MADS-box基因；并对17个B类基因编码的氨基酸序列进行比对分析，与单子叶多个物种B类MADS-box蛋白进行系统发育分析；对17个B类基因的表达模式进行实时荧光定量检测；对3属3种鸢尾科植物paleoAP3-like蛋白和PI-like蛋白进行了蛋白互作检测。马蔺、射干、香雪兰三种植物花发育形态观察发现其基本按照外轮花被原基、雄蕊原基、内轮花被原基、雌蕊原基的顺序发育，在雄蕊发育早期，花药的发育快于花丝的发育，且此时的花柱分枝并不明显；鸢尾科14个PI-like基因经过一次基因重复事件产生了两大分支，一支包括IlcPI1，IdPI1，BcPI1，GgPI1，FrPI1，CsatPIB和CsatPIC1，另一支包括IlcPI2，IlcPI3，IdPI2，BcPI2，GgPI2，FrPI2和CsatPIA1，此重复至少发生在天门冬目（Asparagales）形成之前；建立鸢尾科植物actin1作为看家基因的实时荧光定量RT-PCR检测方法，为MADS-box基因表达模式检测奠定基础；B功能基因的转录产物于花器官的四轮结构中均表达，符合ABC模型中B类基因的表达模式，并解释了萼片花瓣化的外轮花被片的形成及花瓣化花柱分枝的形成；B类基因在马蔺的花柱分枝结构中表达量相对较高，在射干中表现尤为明显，而在香雪兰中的表达量相对较低，虽然不同拷贝的表达量有所差异，但总体趋势显现出其与鸢尾科植物花柱分枝形态的演化呈现对应关系；在酵母双杂交实验中，马蔺、射干、香雪兰植物B类MADS-domain蛋白间的相互作用均检出AP3-PI稳定的异源二聚体。序列信息、系统发育关系及表达模式数据表明，B功能基因的异位表达和表达量的变化可能影响鸢尾科植物花柱分枝的形态，paleoAP3基因和PI基因不同拷贝的高表达量可能对花瓣状花柱分枝的形成有影响。本研究为被子植物花器官（特别是雌性生殖结构）形态的多样性提供新的资料，为丰富和发展花的发育和进化理论提供新证据。