论文部分内容阅读
两侧对称花型(Zygomorphy)被认为是由原始辐射对称花型(Actinomorphy)经过多次反复独立进化而来，涉及多个发育平面的不对称性，例如：背腹不对称(DV asymmetry)和器官内部不对称性(IN asymmetry)。已有的研究表明，在植物基因组中存在关键基因调控不对称性的建立。为了研究豆科器官内部不对称性的分子遗传学机理，我们以豆科模式植物百脉根和豌豆为材料进行大规模的诱变筛选，获得了影响花器官内部不对称性的两类突变：特异的影响花器官内部不对称性的豌豆突变体，如symmetric petals1(syp1)突变体；影响花器官内部不对称性和多个发育过程的豌elephant ear-like leaf.1(ele1)和ele2突变体及百脉根big organs(bio)突变体。
通过遗传分析，我们发现了两个等位的syp1突变体即syp1-1和syp1-2，受隐性单基因控制。syp1-1并syp1-2表型相似，特异影响花器官的内部不对称性建立，但其表型强弱有差异。syp1-1影响翼瓣和龙骨瓣的不对称性而syp1-2通常只影响翼瓣的不对称性；syp1-1还影响到花器官的数目，通常在腹部区域增加花器官数目。借助比较基因组学的方法，将syp1定位在豌豆Ⅱ连锁群的短臂上，并将syp1锚定到百脉根5号染色体和蒺藜苜蓿1号染色体的共线性区段中。为了研究SYP1因子与TCP因子的遗传相互作用，我们将syp1-1与k-1 lst1-1双突变体做杂交，获得双突变体和三突变体。lst1-1 syp1-1双突变体表现为叠加的表型：背部花瓣有缺刻，与lst1-1单突变体相似，侧部和腹部花瓣两侧对称，与syp1-1单突变体相似；k-1 syp1-1双突变体的花侧部花瓣和腹部都形成龙骨结构，然而背部花瓣发育不正常：旗瓣隆起不能完全展开，暗示syp1在背部花瓣发育过程中有某种未被揭示的功能。k-1 lst1-1 syp1-1三突变体的花呈现辐射对称的排布，所有的花瓣具有腹部属性且形成龙骨结构，在k-1 lst1-1 lst1-1三突变体中，所有花的背部花瓣均为内部对称，而在缸k-1 lst1-1双突变中背部花瓣形态多变且部分花的背部花瓣内部不对称。因此，k-1 lst1-1 syp1-1三突变体呈现的是一种丧失DV和IN不对称性的基准态花型。
ele1和ele2突变体花器官内部不对称性发生改变。与野生型相比，突变体侧部花瓣和腹部花瓣变得两侧对称，而且单个腹部花瓣形成龙骨结构。ele突变体具有多效性，如：植株变高、叶片变大等。遗传分析表明在豌豆中ele1和ele2由分别由单位点隐性基因控制。我们在百脉根中也筛选到与ele突变体类似表型的突变体bio，而且遗传分析表明bio为半显性单位点调控。通过比较基因组学的方法，ELE1被定位到与百脉根KEW区段有微线性的区域，而ELE2与BIO被定位到豆科基因组的微线性区域。利用微线性我们分别克隆了ELE1和BIO/ELE2基因。双突变体表型分析和酵母双杂交的结果表明ELE1与ELE2可能以复合体的形式在同一遗传途径中参与花器官内部不对称性的建立。为了研究ELE基因与TCP基因的相互作用，我们将ele2与k-1 lst1-1双突变体做杂交，分离双突变体和三突变体。对双突变体、三突变体的表型分析表明，在ele2突变体背景下背部花瓣的变大依赖于PsCYC基因的功能。因此，我们认为ELE2基因通过与SYP1和PsCYCs等基因相互作用来调控豆科花瓣内部不对称性的建立。
通过对豌豆突变体的遗传分析，我们发现SYP1基因、ELE基因与K、LST等CYC-like TcP基因的功能可以是相互独立的，提示在豆科植物中存在两个独立的分子途径：一个是由CYC-like TCP基因决定的花型背腹极性(DV)途径；另一个是由ELE1、BIO/ELE2和SYP1等基因决定的花瓣内部不对称性(IN)途径。DV和IN调控因子在花的发育过程中共同作用，调控豆科两侧对称花型发育。我们推测在高等植物中存在相互独立亦能相互作用的分子途径，这些分子途径的进化构成了高等植物中对称性发育多样性的分子机理。这些关键调控因子及其相互作用的研究为将来豆科乃至高等植物花型的分子设计和遗传改良提供了理论依据。