被子植物基部類群細(xì)辛和三白草MADS-box基因研究.pdf

1、進(jìn)化發(fā)育遺傳學(xué)認(rèn)為，發(fā)育調(diào)控基因體系的進(jìn)化和變異是引起生物形態(tài)多樣性的一個(gè)重要因素，因而了解發(fā)育調(diào)控基因體系的進(jìn)化和變化將有助于了解生命進(jìn)化的歷程。基于對(duì)擬南芥和金魚(yú)草等模式植物同源基因體系的研究，人們提出了關(guān)于植物開(kāi)花的ABC模型，并且隨著研究的深入和研究對(duì)象的拓展，ABC模型已經(jīng)發(fā)展成為ABCDE系統(tǒng)。在這一重要演變過(guò)程中，植物MADS-box基因家族研究起了非常重要的作用。 植物MADS-box基因家族在幾乎植物發(fā)育的每一

2、個(gè)重要過(guò)程中都起重要調(diào)控作用。這一重要基因家族可以分成多個(gè)基因亞族，其中包括A-class SQUA-亞族、B-class的AP3/DEF-和PI/GLO-亞族、C-和D-class的AG-亞族以及E-class的AGL2-/AGL6-亞族等。它們分別在花發(fā)育的不同過(guò)程具有重要調(diào)節(jié)功能。目前研究比較詳細(xì)和系統(tǒng)主要是B-class的兩個(gè)亞族，從裸子植物到基部真雙子葉植物、從單子葉植物到真雙子葉植物都已經(jīng)分離到了B-class基因的同源基因

3、；C/D-class的AG-亞族基因也已經(jīng)從裸子植物中分離到。但是，對(duì)于SQUA-亞族基因的研究目前還主要集中在單子葉植物和真雙子葉植物中，被子植物基部類群的SQUA-like基因還未見(jiàn)報(bào)道；而被子植物基部類群對(duì)于整個(gè)被子植物起源和進(jìn)化研究、對(duì)于花和花被的起源研究是非常關(guān)鍵的。 古草本三白草科和馬兜鈴科植物是被子植物系統(tǒng)研究過(guò)程中兩個(gè)非常重要的類群。三白草（Saururus chinensis Baill.）的花形態(tài)非常簡(jiǎn)單，無(wú)

4、花被（achlamydeous），非常類似Sarcandra花的結(jié)構(gòu)；細(xì)辛（Asarum caudigerum Hance.）的花則只具有一層融合的花被，沒(méi)有明顯分化成為萼片或花瓣，很類似ANITA中Amborella花的結(jié)構(gòu)。因此，從無(wú)花被的三白草到單層融合花被的細(xì)辛再到結(jié)構(gòu)典型分化的（馬蹄香）擬南芥、金魚(yú)草、水稻等，花被的進(jìn)化經(jīng)過(guò)了一個(gè)從無(wú)到有、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程。因?yàn)閿M南芥、水稻等植物發(fā)育過(guò)程有很多重要調(diào)控基因參與，研究無(wú)被花和單

5、被花的發(fā)育調(diào)控過(guò)程則具有了非常重要的意義。 本論文以三白草和細(xì)辛為研究對(duì)象，利用3’-和5’-RACE技術(shù)分離到了9個(gè)花發(fā)育過(guò)程相關(guān)MADS-box基因，利用RT-PCR和原位雜交等技術(shù)對(duì)它們的時(shí)空表達(dá)模式進(jìn)行了分析，重建了它們與已知基因的系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)。 結(jié)果，三白草和細(xì)辛分別有一個(gè)基因ScM-1和AcM-1屬于SQUA-亞族，為被子植物基部類群中同類型基因首報(bào)。它們具有SQUA-like基因的某些典型結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄表達(dá)模式，

6、但也出現(xiàn)了明顯差異。轉(zhuǎn)錄模式分析表明，這兩個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄分布很廣，預(yù)示了功能的多樣性；對(duì)他們進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析的結(jié)果表明，它們處于整個(gè)SQUA-亞族基因的基部位置，這與三白草科和馬兜鈴科植物處于被子植物較基部的位置相適應(yīng)。本論文分析還表明，被子植物SQUA-亞族基因可以主要分成Clade I和II兩支；SQUA-亞族基因祖先的出現(xiàn)在被子植物分化成單子葉植物和雙子葉植物兩個(gè)主要類群之前；第一個(gè)SQUA-like基因功能很可能是多樣化的；從第一

7、個(gè)SQUA-like基因出現(xiàn)到真雙子葉植物SQUA-like基因，SQUA-like基因很可能經(jīng)歷了一個(gè)從復(fù)雜到具體、從泛化到特異的一個(gè)進(jìn)化歷程。 在本論文中分離到的9個(gè)MADS-box基因中，有5個(gè)屬于B-class，AcM-6、AcM-5、AcM-4和ScM-3屬于AP3/DEF-亞族，ScM-2基因?qū)儆赑I/GLO-亞族。除了AcM-6基因以外，其它基因都具有各自亞族基因所具有的典型保守結(jié)構(gòu)。AcM-5和AcM-4基因的轉(zhuǎn)

8、錄產(chǎn)物分布非常廣泛，除了在根中沒(méi)有檢測(cè)得到它們的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物之外，在花被、雄蕊和心皮中都有它們的分布；但除了具有幾乎與AcM-4基因完全相同的MADS-box和I-region之外，AcM-6基因沒(méi)有K-domain，而且只在雄蕊和心皮中檢測(cè)到該基因的轉(zhuǎn)錄發(fā)生。三白草ScM-3和ScM-2基因也只在花序中表達(dá)。 從細(xì)辛中分離到的AcM-3基因?qū)儆贑-class AG-亞族基因，具有AG-亞族基因所具有的典型結(jié)構(gòu)特征。在所有檢測(cè)用到的

9、材料中，沒(méi)有檢測(cè)到該基因在營(yíng)養(yǎng)器官中的轉(zhuǎn)錄發(fā)生；它的轉(zhuǎn)錄主要發(fā)生在各種發(fā)育時(shí)期的胚珠、雄蕊中。值得注意的結(jié)果是，該基因還在花被中具有明顯轉(zhuǎn)錄存在，而已報(bào)道的C-class基因主要在可育性器官中表達(dá)；AcM-3基因有可能處于從D-功能AG-like向C-功能AG-like基因過(guò)渡的位置。另外一個(gè)細(xì)辛基因AcM-2屬于TM3-亞族，具有TM3-亞族的明顯結(jié)構(gòu)特征。AcM-2主要在營(yíng)養(yǎng)器官中表達(dá)，在花被、雄蕊和心皮中沒(méi)有明顯轉(zhuǎn)錄信號(hào)；因而該基

10、因很可能主要參與了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)調(diào)控或者是在細(xì)辛花發(fā)育的早期起作用。 總之，被子植物基部類群中已經(jīng)具有了SQUA-like基因，該基因的功能很可能是多樣化的；無(wú)被花和單被花發(fā)育過(guò)程中很可能象擬南芥、水稻等植物那樣也需要SQUA-like和B-class基因的參與；第一個(gè)SQUA-like基因可能出現(xiàn)早于單子葉植物和真雙子葉植物的分化；雖然具有A、B、C-class基因的同源基因，ABC模型可能并不完全適用于基部類群被子植物的開(kāi)花過(guò)程。