小麦肉桂酰辅酶A还原酶（CCR）基因的分离和功能分析

作为植物界广泛存在的一类酚类聚合物，木质素是陆生植物正常生长发育过程中非常重要的生物大分子，而且与人类的生活息息相关。利用分子生物学手段和基因工程方法，从小麦中分离木质素生物合成途径的关键酶-肉桂酰辅酶A还原酶基因（CCR），研究肉桂酰辅酶A还原酶基因在木质素代谢途径中的调控规律，从其催化的限速步骤入手，来调控木质素的合成，有效的改变木质素的组成、含量和结构，是改善木质素在植物生长发育中的作用乃至开发木质素资源的关键所在。本文就小麦肉桂酰辅酶A还原酶基因的分离、表达特征及其在木质素合成途径中的作用开展了研究工作。 首先用RACE方法从小麦中克隆了CCR的两个cDNA的部分序列，序列分析表明它们编码的蛋白具有CCR的典型特点，GC含量高于均60%，两者在核酸水平和蛋白水平的同源性为76%和 69%，证明在小麦中至少存在着两个CCR基因。通过 RT-PCR和Northern 杂交确定W-cr6和W-cr19在小麦的发育中具有不同的表达特征，W-cr6主要在茎中表达，而W-cr19的表达集中在根中。以W-cr6为探针，从cDNA文库中筛选到一个全长1317bp的cDNA，命名为TaCCR1。TaCCR1包括开放阅读框 (ORF) 1047bp、5′端侧翼 72bp和3′端侧翼198bp的非翻译序列。TaCCR1能够编码由349个氨基酸组成的蛋白质，预期的分子量为37.4kD。同源性比较显示TaCCR1基因在核酸水平和蛋白质水平与其他物种的CCR基因的同源性高于60%。 为了分析CCR在木质素合成中的作用，用TaCCR1构建了用于转化烟草的正义和反义表达载体pStCCR和pAtCCR、用于转化小麦的正义和反义表达载体pBSC1和pBAC1。通过农杆菌介导得到了30株反义转基因烟草和12株正义转基因烟草。由于外源基因的抑制作用，转基因烟草在形态、木质素组成和含量、木质部显微结构上都程度不同的发生了变化。正义和反义的转基因株系呈现出株型矮化、木质素含量下降、木质部导管细胞壁受到破坏等现象。同时利用花粉管通道法转化小麦种子5000多粒，部分处理经过初步的PCR和 Southern分子鉴定获得了1株转基因株系，需要对其遗传、生理和形态特征做进一步的研究。 本文还对木质素对小麦茎杆的机械强度的影响做了初步的探讨，得到的结果是小麦茎杆的木质素含量、维管束的数量、茎杆有效的横界面积与其最大弯曲应力存在着正相关，而维管束的结构、密度对茎杆的最大弯曲应力没有明显的影响，从而为通过CCR基因来改善小麦茎杆的抗倒特性建立了生理学基础。

三叶木通花发育相关基因的结构、功能和进化研究

花是被子植物最关键的创新（innovation）性状。在被子植物的不同类群中，其形态多种多样，尤其以基部真双子叶植物的花形态最为丰富。大量的系统发育分析表明，在核心真双子叶植物起源之前，几个与花发育相关的MADS-box基因亚家族均发生了大尺度的基因重复事件。因此，在被子植物的不同物种中，花发育相关基因的组成并不相同，并且它们经历了不同的进化历史，这意味着这些基因可能以不同的方式调控花的发育。基部真双子叶植物，作为基部被子植物和核心真双子叶植物之间的过渡类群，对于我们理解被子植物花的进化，揭示核心真双子叶植物花的起源以及基部真双子叶植物花多样性分化的分子机制非常重要。本文以基部真双子叶植物三叶木通为研究材料，着重进行了以下研究工作： 1. 花器官发生过程的观察。三叶木通的花为雌雄同序的单性花。而且，根据成熟花的形态，三叶木通的雌花和雄花都只有一轮花被器官，即三个花瓣状的萼片。扫描电镜的观察结果表明：1）在花器官的发生和发育过程中，在萼片和雄蕊原基之间，确实没有花瓣原基或另一轮萼片原基发生。2）雌花和雄花都是以两性花的方式发生发育的。3）单性花是由于在花发育的最后阶段，雌花中雄蕊或者雄花中心皮的退化而产生的。 2. 花发育相关基因的克隆。应用5’/3’ RACE的方法，我们从三叶木通不同发育阶段的混合花芽中共分离到九个与花发育相关的MADS-box基因： AktFL1、AktFL2、AktAP3_1、AktAP3_2、AktAP3_3、AktPI、AktAG1、AktAG2和AktSEP3。 3. A类MADS-box基因的进化。由于A类基因在进化过程中序列结构的改变，再加上取样的限制，使得A类基因间的进化历史一直不能被很好的理解。因此，本文对A类基因的研究从构建该基因亚家族的系统发育树开始。主要结果如下：1）通过扩大在基部真双子叶植物和被子植物其它重要类群的取样，我们的系统发育树基本上反映了现存被子植物的系统发育关系。2）核心真双子叶植物的A类基因由三个分支组成：euFUL、euAP1和AGL79，它们是通过发生在核心真双子叶植物起源之前的两次几乎同时的基因重复事件产生的。3）在基部真双子叶植物中，山龙眼目、毛茛目和黄杨科的A类基因各形成一支。而且，在这些类群内，发生了多次小尺度的独立的基因重复事件。4）来自单子叶植物的FUL-like基因明显地构成一个单系，并且包括三个分支：OsAMDS14、OsMADS15和OsMADS18。它们是由于两次不连续的基因重复事件产生的。5）不同类型的A类基因产物在C末端拥有不同的保守基元。6）从基因组结构上看，所有的A类基因都拥有八个外显子和七个内含子。7）通过对三叶木通中两个FUL-like型基因（AktFL1和AktFL2）表达式样的观察，我们发现它们在叶原基和发育早期的花原基以及发育着的花器官中都有表达。此外，A类基因表达式样的进化分析结果表明被子植物中该类基因的祖先可能具有广泛的功能，既在营养器官中表达又在生殖器官中表达 。 4. B类基因表达式样的保守性和多样性。通过对B类基因的系统发育和表达式样分析，得到以下结果：1）三叶木通中的三个paleoAP3基因是通过两次基因重复事件产生的。2）在木通科或木通属内，PI型基因并没有发生基因重复事件。3）RT-PCR结果表明，AktAP3_1在雌花中的表达量比雄花中高，而AktAP3_2则在雄花中的表达量比雌花中高。AktAP3_3和AktPI在雌花和雄花中的表达水平相似。4）原位杂交分析显示这些基因在发育着的雄蕊和心皮中表达。此外，AktAP3_3和AktPI还在萼片中表达，可能参与花瓣状萼片的发育。 5. 三叶木通C/D和E类基因的序列结构和表达分析。通过序列结构分析，我们发现，与其它被子植物AG同源基因编码的MADS-domain蛋白一样，AktAG1和AktAG2在MADS结构域的N末端都拥有一段氨基酸序列的延伸，AktAG1为20个氨基酸;AktAG2为7个氨基酸。原位杂交分析表明AktAG1和AktAG2主要在发育着的雄蕊和心皮中表达，说明它们具有决定生殖器官发育这一保守的功能。 AktSEP3属于AGL9型的E类基因。该基因在所有花器官中都有表达，说明和其它被子植物的E类基因一样，AktSEP3在三叶木通中对于所有花器官的发育都是必需的。 6. 各类MADS-domain蛋白间的相互作用。在前面工作的基础上，我们首次对三叶木通中上述MADS-domain蛋白间的作用方式进行了研究。酵母双杂交结果表明：1）AktSEP3的C末端具有转录激活功能。2）三个AktAP3蛋白与AktPI蛋白都能够形成异源二聚体，但是它们之间的作用能力并不相同。3）AktSEP3蛋白可以与AktFL1、AktPI、AktAG1和AktAG2形成异源二聚体，充分体现了E类基因产物作用式样的保守性。4）AktFL1与AktPI、AktSEP3和AktAG2也能形成异源二聚体，这与核心真双子叶植物的euFUL型蛋白在作用式样上是非常相似的。 综合以上结果，我们探讨了三叶木通花发育的分子机制。在三叶木通的三轮花器官中，与拟南芥等模式植物相似的是：E类（AktSEP3）基因在每一轮花器官中都起作用;此外，A类（AktFL1）和B类（AktAP3_3和AktPI）基因在花瓣状的萼片中有不同程度的表达，类似于拟南芥的第二轮;B类（AktAP3_1、AktAP3_2、AktAP3_3和AktPI）和C/D类（AktAG1和AktAG2）基因在雄蕊的发育过程中起作用;C/D类（AktAG1和AktAG2）基因对心皮的发育起作用。与拟 南芥等模式植物不同的是：1）虽然原位杂交分析表明，AktFL1、AktAP3_3、AktPI和AktSEP3都在花瓣状的萼片中有 不同程度的表达，但是它们的蛋白质产物AktFL1与AktSEP3和AktAP3_3与AktPI都只能形成较弱的异源二聚体。而 且，根据我们的研究结果，在三叶木通中没有找到euAP1型的A类基因，只有两个FUL-like型的A类基因。它们的功能 与核心真双子叶植物中的euFUL型基因相似。因此，AktFL1很可能与其它调控因子共同作用负责花分生组织的形成;AktFL1/AktAG2则可能在花发育的后期起作用。那么，三叶木通花瓣状萼片的发育是否需要AktFL1/AktSEP3和 AktAP3_3/AktPI的参与，还是另有其它转录因子的参与，仍然需要更深入的研究。2）虽然在三叶木通中，雄蕊的发 育同样需要B、C/D和E类基因的参与，但是由于小尺度的基因重复事件，在该物种中只拥有三个paleoAP3型基因，而没有euAP3型基因。而且，由于复制拷贝间的亚功能化，AktAP3_1/AktPI主要参与雌花的发育过程;而AktAP3_2/AktPI主要参与雄花的发育过程。

云杉属的分子系统学与生物地理学研究

云杉属植物是非常重要的森林树种，广泛分布于北半球的寒温带、温带高山和亚高山地带。该属为松科中仅次于松属和冷杉属的第三大属，约有 28-56 种。自云杉属建立以来，其属于松科没有任何疑议。然而，由于云杉属物种间频繁杂交、形态趋同和取样困难，尽管已经有基于形态学、细胞学、化学成份、叶绿体 DNA RFLP 等方面的研究，该属的属下分类仍然存在诸多争议。本文利用父系遗传的叶绿体基因和母系遗传的线粒体基因序列重建了云杉属的系统发育关系，探讨了云杉属生物地理格局的形成过程。在此基础上，我们研究了低拷贝核 CAD 基因在云杉属的进化式样。另外，我们还对裸子植物线粒体基因 rps3 的内含子分布和进化进行了初步研究。 1． 云杉属的系统发育和生物地理学研究 我们选择了 Farjon (1990) 确定的 34 个种中的 33 种 (另一个种在 Flora of China 未得到承认)，共 103 个个体，对这些个体的叶绿体 DNA 片段 trnC-trnD 和 trnT-trnF 以及线粒体基因 nad5 的第一个内含子进行了序列测定。在两个叶绿体基因片段联合分析构建的系统发育树上，北美西部的 P. breweriana 和 P. sitchensis 位于最基部。其余的物种分为三支：第一支由北美的两个物种组成;第二支包括分布于喜马拉雅-横断山区及其周围地区的八个种、台湾的 P. morrisonicola、西亚的 P. orientalis、日本的两个种及北美的 P. chihuahuana;第三支中，北美的 P. pungens 位于基部，亚洲东北部的种 (除 P. maximowiczii 和 P. torano 外)、P. retroflexa 和欧洲的 P. abies 构成一个单系群，并与北美的 P. mariana 和 P. rubens 及来自巴尔干半岛的 P. omorika 形成姐妹支。所有样品的 nad5 第一个内含子序列可分为 A、B、C、D 和 E 5 种单倍型，北美的物种拥有前 4 种，而且 A、B 和 C 单倍型为北美所特有;欧亚的物种仅含 D 和 E 两种单倍型。 上述结果结合 MacClade 和 DIVA 分析及化石证据，我们推断云杉属起源于北美，至少两次经白令陆桥扩散至亚洲，然后从亚洲扩散至欧洲。亚洲东北部的绝大多数物种和欧洲云杉 P. abies 的种间遗传变异非常低，而且线粒体单倍型均为 D，可能来源于一次近期的辐射分化。云杉属的现代分布中心之一喜马拉雅-横断山区的物种可能不是一次起源，日本的物种同样如此，这可能与第三纪气候变冷和第四纪冰川导致的物种迁移有关。此外，我们发现目前用于云杉属分类的一些形态性状（如叶扁平、菱形等）在系统发育树上位于不同的位置，说明这些性状可能不是一次起源或是祖征在不同支系中的保留，用于云杉属的系统划分须慎重。 2． 云杉属 CAD 基因的进化研究 裸子植物的多倍体特别少，且以基因组庞大而著称。被子植物中的很多单拷贝基因在裸子植物中以低拷贝或多拷贝基因家族的方式存在。CAD 基因在木质素单体合成的最后一步起作用，在松属中只发现了一种 CAD 基因拷贝，在欧洲云杉中却发现了三种拷贝，而且 Southern 杂交和子代分离鉴定结果表明这三种拷贝至少位于两个位点上。然而，对云杉属三个物种 (包括欧洲云杉) 构建的遗传图谱却都只发现了一个 CAD 基因位点。由于云杉属 CAD 基因的数目和分布存在很大争议，我们根据构建的叶绿体基因树，选择了不同支上的 20 个物种、29 个样品研究该基因的进化式样。结果表明：云杉属不同物种中 CAD 基因的拷贝数为 1-4 种，多数为 2-3 种。系统发育分析发现有些物种的所有 CAD 基因拷贝聚成一支，另有一些物种的 CAD 基因拷贝位于不同位置。此外，我们对 GenBank 中云杉属三个物种 CAD 基因的 EST 序列分析后发现：EST 序列的差异主要发生在 3’-UTR 区，表现为序列长短的不同，这有可能是进行体外反转录时引物结合于不同的位置所致。因此，结合前人研究（包括遗传图谱分析），我们推测 CAD 基因在云杉属内发生了多次重复，重复拷贝很可能呈串联排列。 3. 裸子植物线粒体基因 rps3 的进化研究 线粒体基因内含子的获得/丢失已经被广泛应用于系统发育研究。rps3 为分布最广的线粒体核糖体蛋白基因，一般含一个内含子，前人研究显示其在裸子植物中多了一个第二类内含子 rps3i2，并将这个内含子作为区分裸子植物和其它植物类群的标志之一。然而，该研究只选择了苏铁和银杏作为裸子植物的代表，取样代表性不足。在本研究中，我们对裸子植物每个科至少选择一个物种作为代表，通过 DNA 序列和部分物种的 RT-PCR 分析，探讨 rps3 基因在裸子植物中的进化。结果表明 rps3 基因内含子的分布与裸子植物系统发育关系相吻合：Conifer II、松科的落叶松属和黄杉属及百岁兰科不仅不含 rps3i2，而且丢失了第一个内含子;金钱松属缺失第二个内含子。我们推断在 Conifer II 的祖先和百岁兰科中分别一次性丢失了两个内含子;在松科中则发生了两次单独的丢失事件，一次是在落叶松属和黄杉属的祖先中丢失了两个内含子，一次是在金钱松属中丢失了第二个内含子。另外，在 Ephedra 中没有扩增出 rps3 基因，Gnetum 中具有第二个内含子，倪藤科的 rps3i2 似乎支持松科与倪藤纲的关系更近。对 rps3i2 的进一步分析发现，其序列结构与松科的系统发育关系非常吻合。根据上述结果和 mRNA 编辑位点分析，我们认为 Conifer II等类群中的两个rps3内含子丢失可能是反转录酶介导的 cDNA 反转录造成的。Psuedolarix 的内含子丢失也可能为相同机制，但因缺乏材料而未能进一步研究。

大叶石上莲（苦苣苔科，马铃苣苔属）花对称性基因的表达模式和进化研究

模式植物金鱼草的花对称性分子发育及遗传学研究揭示了花对称性的相关调控基因在花发育过程种的表达模式和功能以及它们的相互作用机制。然而，被子植物的花对称性丰富多样，远非模式植物的模式所能概括。根据目前的研究我们选择苦苣苔科马铃苣苔属作为研究对象，选取其中具有代表性的种大叶石上莲开展控制花对称性的几个关键基因的进化发育生物学研究，初步探讨这些基因的表达模式和功能以及它们与花对称性进化的联系。 RT-PCR实验结果显示，在大叶石上莲中花对称性基因ObCYC, ObRAD, ObDIV与它们的同源基因CYC, RAD, DIV在金鱼草中的表达模式有着明显的差异，这也意味着这些基因的功能及相互作用也有所不同。首先，大叶石上莲的ObCYC1C基因的表达与金鱼草的CYC基因相似，结合花形态比较认为ObCYC1C基因在花器官近轴区域的表达抑制了背部花器官的发育，在构建大叶石上莲微弱的两侧对称花过程中起到了主导的作用; 其它的几个ObCYC基因有着完全不同于CYC的表达模式，ObCYC1D的表达延伸到了花腹部区域而ObCYC2A在花发育中期和晚期没有表达，这意味着它们可能具有除控制花对称性之外的功能; 另一个特殊的现象是ObCYC2B因为在可读框架中一个终止子的提前出现而失去了功能。其次，ObRAD, ObDIV的表达与RAD, DIV的表达差异也极为明显，通过系统树和氨基酸序列比对分析发现ObRAD, ObDIV与RAD, DIV的保守功能区序列存在明显的不同，而ObRAD, ObDIV与BlRAD, BlDIV的保守区很相似，这与它们的花对称性以及基因的表达模式相对映，同时也说明了保守功能区具有极重要的作用。本研究显示了大叶石上莲中的花对称性基因的表达模式和功能与模式植物金鱼草存在显著的差异，在此基础上开展更深入的进化发育生物学研究将有助于揭示花对称性基因的分子进化及其与花对称性表型进化的关系。

玄参科毛泡桐花对称性基因的分离和表达研究

花两侧对称性的获得是由多次独立的进化事件而完成。在被子植物进化过程中，花两侧对称性在植物的适应辐射过程中有重要意义。在模式植物金鱼草中，CYCLOIDEA（CYC）是控制花对称性的关键基因。近年来，CYC 基因的同源基因已经在多个类群中被分离出来，并开展了CYC 类基因的分子进化及其与花对称性表型进化相关关系的研究。 泡桐属是模式植物金鱼草的一个近缘类群，我们从泡桐属的毛泡桐中分离出了CYC基因的两个同源基因，分别命名为PtCYC1 和PtCYC2 。组织特异性RT-PCR显示他们的表达模式发生了明显的分化。 毛泡桐中PtCYC1 基因的表达模式与 CYC 基因在金鱼草中和 McCYC 基因在M. confertiflora 中的表达模式存在明显的差异但是和RgCYC 在地黄（Rehmannia）中的表达模式十分相似。PtCYC1 基因在近轴区域的强烈表达可能与毛泡桐近轴雄蕊的缺失有关。 尽管PtCYC1和M. confertiflora 中的McCYC 基因均从近轴雄蕊延伸到了两侧雄蕊，但PtCYC1 基因的后期表达较弱。因此，毛泡桐中的两侧雄蕊的发育并没有像M. confertiflora 中的两侧雄蕊受到强烈的抑制而成为退化雄蕊，仅仅使得两侧雄蕊短于两个远轴雄蕊从而在毛泡桐中形成二强雄蕊。地黄属和泡桐属两侧对称花的显著特征是缺乏近轴雄蕊。PtCYC1 和RgCYC基因的表达模式的高度一致显示出近轴雄蕊的缺失可能和CYC类基因的强烈表达有关。十分有趣的是毛泡桐中PtCYC2 基因在各个区域均没有表达。对于PtCYC2 基因是否还有其他方面的功能还有待于进一步探讨。

五数苣苔(Bournea leiophylla)次生辐射对称花形成的分子机制和进化发育生物学研究

被子植物中，花对称性进化的一个重要方面就是从两侧对称向次生辐射对称的演化。唇形目是被子植物中以两侧对称花为主的类群，次生辐射对称花频繁发生。然而在分子发育水平上，除了模式植物金鱼草(Antirrhinum majus)和少数其他种外，从两侧对称花向次生辐射对称花演化的机制仍然是一个巨大的未被探索的领域。 在金鱼草和柳川鱼(Linaria vulgaris)中，腹部化反常整齐花的形成各自是由于CYC和LCYC的沉默所引起，这些基因沉默分别是由于转座子插入和DNA广泛甲基化所导致。在豆科(legumes)中，辐射对称花的形成是由于legCYC基因在所有五个花瓣均有表达，这相似于金鱼草中CYC基因同源异位表达所形成的背部化辐射对称花。然而，自然界中起源于不同的两侧对称花支系的许多次生辐射对称花好像并不是因为简单的花对称性基因功能丢失或者获得。因此，以模式植物突变体表型特征的分子机制作为研究出发点，通过对自然发生的次生辐射对称花进行详细研究探讨，有可能揭示两侧对称花向次生辐射对称花转变的新的演化途径，包括花对称性发育过程中不同基因的参与以及他们的表达在时间上的变化等。 苦苣苔科(Gesneriaceae)是唇形目(Lamiales sensu lato)其他类群的姊妹群, 以较弱的两侧对称花为特征，并拥有相当数量的次生辐射对称花种类;该科所拥有的辐射对称花属在唇形目所有科中占的比例最大。在苦苣苔科中，五数苣苔(Bournea leiophylla)是次生辐射对称花类群中具有两侧对称痕迹的代表类群，其花的发育过程显示出五数苣苔花经历了由花器官发育早期的两侧对称向成熟时期辐射对称的形态转变。这种发育模式暗示着五数苣苔的花可能起源于一个两侧对称花祖先;五数苣苔中控制花背腹非对称性的CYC类基因应该是有功能的，至少在花发育的早期是这样的。由于苦苣苔科和婆婆纳科(Veronicaceae)(金鱼草属于婆婆纳科)亲缘关系较近，而且CYC类基因的基本功能之一是导致背部雄蕊退化;因此五数苣苔中辐射对称花的形成很可能既不是由于CYC类基因失去，也不是因为CYC-类基因功能获得延伸或加强所致。在五数苣苔花发育过程中，从早期的两侧对称到成熟花的辐射对称的发育转变可能牵涉到TCP和MYB基因家族成员相互调节作用在时间和空间上的改变。因此，五数苣苔是探讨被子植物中次生辐射对称花新的进化途径的一个理想的候选材料。针对解决这一问题，我们对五数苣苔花进行了以下实验研究： 1 花器官发生过程的观察 成熟的五数苣苔花是辐射对称花，但是对花发育过程中花原基电镜扫描结果表明：在花器官起始和发育的早期，五数苣苔花是显著的两侧对称;但是随着进一步发育，这种两侧对称性逐步减弱，最后形成具有微弱两侧对称性痕迹的辐射对称花。 2 花对称性基因的克隆 我们应用RACE技术克隆得到了五数苣苔花对称性同源基因：BlDIV1、BlDIV2和BlRAD的翻译区全序列及其上下游非翻译区，得到了BlCYC1的3‘端翻译区和非翻译区序列。为了确定这些基因内含子的有无和位置，我们也从DNA中得到了相应同源基因的DNA序列，并且补全了BlCYC1的5‘端序列。同时也克隆到了一个没有在mRNA中得到的CYC同源基因BlCYC2。在该实验中我们第一次在金鱼草以外的类群中克隆得到了DIV和RAD的同源基因。 3 序列比较和分子系统发育分析 运用不同的比较软件和分子系统发育分析工具对五数苣苔的花对称性基因进行了比较和分析。结果表明：五数苣苔各种类型的花对称性基因和金鱼草的花对称基因在序列上是高度同源的，在分子系统发育上是非常近缘的。暗示着五数苣苔花对称性基因和金鱼草花对称性基因功能上的同源性。 4 花对称称性基因表达模式的分析 我们第一次运用组织原位杂交和RT-PCR技术对在金鱼草以外类群中所有已知类型花对称性同源基因的表达模式进行了实验研究。结果表明：五数苣苔花对称性基因的表达模式在花发育的早期类似于金鱼草;但是早期以后，BlCYC1和BlRAD被负调节，BlDIV的表达特异地在每个花瓣侧部边缘表达;这种表达结果和花的形态发生过程有很好的吻合。 上述研究表明：和金鱼草花对称基因的表达模式相比，五数苣苔三种类型花对称性基因在花发育过程中的时间和空间表达模式发生了改变;并且这种表达模式变化和五数苣苔花对称性由发育起始时期的两侧对称向成熟时期的辐射对称的转变是相互关联的。五数苣苔具有两侧对称性痕迹的辐射对称花和其他类群辐射对称花的比较显示：在五数苣苔中发育早期的两侧对称性应该是两侧对称性的遗迹;这是由于BlCYC1和BlRAD基因早期表达的保守性造成的。我们的结果揭示了一个新的花对称性演化路径：在花发育过程中，被CYC-like基因推动的RAD和DIV同源基因之间相互调节作用在时间和空间上的变化是花对称性从两侧对称向辐射对称转变或演化的基础;我们的发现还预示着：在一个调节网络的动态变化过程中，一个预先存在的两侧对称发育程序的修饰调节可能在被子植物次生辐射对称花多样性的形成中扮演重要角色。

基于TCP和MYB基因的表达模式，试探四数苣苔（Bournea sinensis）(苦苣苔科)中次生辐射对称花形成的进化发育途径

花对称性，作为花器官的一个基本而又非常重要的特征，它的进化发育过程，越来越吸引着科学家们的注意力。次生辐射对称花的形成也越来越受到关注。然而在分子发育水平上，除了模式植物金鱼草（Antirrhinum majus）和少数其他种外，次生辐射对称花演化的机制仍然是一个巨大的未被探索的领域。 在金鱼草和柳穿鱼（Linaria vulgaris）中，腹部化反常整齐花的形成各自是由CYC和LCYC基因沉默所致，二者基因沉默分别是由于转座子的插入和DNA广泛甲基化所导致;而在豆科（legumes）中，辐射对称花的形成是由于legCYC基因在五个花瓣上都有表达，这种情况和金鱼草中CYC基因同源异位表达所形成的背部化辐射对称花相似。然而，自然起源的两侧对称花支系中的次生辐射对称花的形成似乎并不是简单的花对称性基因功能丢失或获得。自然形成的次生辐射对称花究竟可能经历了怎样的进化途径？对此，我们选择了广义唇形目（Lamiales sensu lato）中苦苣苔科（Gesneriaceae）植物——四数苣苔（Bouenea sinensis）作为研究对象，通过和模式植物金鱼草的突变体中花对称性基因表达特征比较，结合其近缘种——五数苣苔（Bournea leiophylla）中DIVARICATA在时间和空间上的表达特征，试图揭示苦苣苔科中可能的两侧对称向次生辐射对称花转变的新的演化途径，以及在这种进化过程中所产生的可能的器官丢失或融合现象。 四数苣苔和五数苣苔同属于苦苣苔亚科（Cyrtandroideae）苦苣苔族（Trib.Ramondeae Eritsch）中的四数苣苔属（Bournea Oliv）。该属仅仅有两个种——四数苣苔和五数苣苔，它们都是次生辐射对称花类群中的典型代表，而且两者花发育过程都显示出了由腹部向背部顺序发生和生长的特征。然而和五数苣苔相比，四数苣苔花瓣和雄蕊数目分别少了一枚，拥有四枚花瓣（背部花瓣两枚、两侧花瓣两枚）和四枚雄蕊（背部雄蕊一枚、两侧雄蕊两枚、腹部雄蕊一枚）。从形态特征比较来看，很有可能是四数苣苔在次生辐射对称花形成的过程中，发生了腹部花瓣的丢失和两枚腹部雄蕊愈合成了一枚较大的腹部雄蕊。那么，我们推测在四数苣苔次生辐射对称花形成过程中，花对称性基因即CYC类和DIV类基因在分子水平上发生了变化，这种变化和四数苣苔中次生辐射对称花的形成有关。 基于上述考虑，我们开展了对四数苣苔中花对称性基因——BsCYCLOIDEA、BsDIVARICATA、BsRADALIS以及BsCYCLIND3四个基因共9个拷贝进行了在花组织中表达模式研究。我们在四数苣苔中共分离到了五个拷贝的CYC类基因，分别命名为BsCYC1C-1、BsCYC1C-2、BsCYC1D、BsCYC2A、BsCYC2B。这五个拷贝在保守的TCP区和R区保持了高度的同源性。BsDIV的两个拷贝BsDIV1、BsDIV2也是如此，在保守的两个区domain I、domain II，尤其是在那些螺旋和环结构处，保守性相当高。组织原位杂交结果显示，BsDIV在四数苣苔中的表达非常特别，在金鱼草和五数苣苔中该类基因的表达分两个不同时期，即早期表达和晚期特异性表达，BsDIV在四数苣苔中似乎没有早期表达模式或者在很早期就已经进入到了晚期的表达模式。它在四个花瓣的两侧边缘和四个雄蕊上均等表达，而且这种表达持续时间相对比较长。组织原位杂交结果也得到了RT-PCR结果的支持。有趣的是BsRAD的RT-PCR结果显示，BsRAD在晚期花瓣上只在背部表达，但是在雄蕊上的表达却和金鱼草中AmRAD在背部区域表达不同，它的表达从背部延伸到了两侧和腹部。BsRAD在花器官的第二轮和第三轮的表达显然发生了分化。这种现象可能暗示着BsRAD功能发生了分化。BsRAD和BsDIV在腹部雄蕊上精细的时间空间调控关系可能正是导致腹部雄蕊愈合的原因。RT-PCR结果并没有检测到BsCYC2在晚期花上的表达。原位杂交结果显示BsCYC2在第8期以后表达就基本消失了，从而验证了RT-PCR结果。BsCYC2在早期花原基和早期花器官上都是均匀表达，但在表达消失之前，它在花瓣裂片和花冠筒的分界处则有表达信号，BsCYC2可能和调控花冠筒高度有关。根据Almeida 和 Galego（2002）所说，花冠筒高度的改变依赖于CYC 、DIV基因和其它非主动生长决定因子之间的相互作用。BsCYC1C晚期的RT-PCR结果显示它在背部花瓣、背部雄蕊和两侧雄蕊上均有表达信号，但在腹部花瓣和雄蕊上则没有表达信号，这似乎和四数苣苔由腹部向背部顺序发育的形态特征相符合，说明BsCYC1C可能起到了抑制背部花瓣和背部雄蕊生长的作用。

水稻Phi类谷胱甘肽转移酶基因家族的功能分化研究

在植物中大多数功能基因是以基因家族的形式存在的，而基因重复则是基因家族的一种重要的进化方式。很多基因往往是由重复事件产生形成不同的拷贝，进而分化形成基因家族。谷胱甘肽转移酶（GSTs）是一类古老、庞大、行使解毒、抗逆、信号转导等多种功能的一个基因家族。本研究以栽培水稻（Oryza sativa ssp. japonica c.v. Nipponbare）为研究材料，以栽培水稻的Phi类GST的5个基因（OsGSTF3、OsGSTF6、OsGSTF14、OsGSTF15、OsGSTF16）为研究对象，分析了它们的系统发生和起源历史、不同组织的差异性表达、编码蛋白质的功能差异等问题，探讨了基因重复后5个基因的功能变化，主要结果如下： 1. OsGSTF3、OsGSTF14、OsGSTF15、OsGSTF16由串联重复产生，而OsGSTF6则由DNA转座产生;它们起源时间早在稻属（Oryza）分化之前。 2. 对水稻不同部位组织的RT-PCR结果表明这5个基因在水稻中的特异性表达组织部位有较大差异：OsGSTF3基因在叶、叶鞘、茎、根4个部位均有大量表达;OsGSTF6基因仅在叶中有表达;OsGSTF14基因在叶鞘、茎2个部位中有表达;OsGSTF15基因在茎、根2个部位中有表达;OsGSTF16则在叶、茎、根3个部位中有表达。 3. 将这5个基因连接原核表达载体PET30a并转化大肠杆菌BL21（DE3），获得了高表达菌株。将表达菌株进行大量表达，表达形式分析显示OsGSTF3蛋白是可溶性表达，而其余4个蛋白以包涵体的形式表达。通过亲和层析获得了纯化的OsGSTF3融合蛋白，OsGSTF3融合蛋白对底物CDNB和NBD-Cl具有高活性，酶动力学分析显示OsGSTF3融合蛋白对GSH与NBD-Cl有较高的亲和力，热力学分析显示该蛋白在40℃以下是热稳定的。通过对包涵体进行洗涤、亲和层析获得了纯化的OsGSTF6、OsGSTF14、OsGSTF15、OsGSTF16的融合蛋白，OsGSTF14融合蛋白对NBD-Cl有微弱活性，OsGSTF15融合蛋白对NBC有较高的活性，而没有检测到OsGSTF6与OsGSTF16融合蛋白的活性。

崖柏属的系统发育与生物地理学研究－兼论广义柏科4CL基因的进化

第三纪末期和第四纪的气候变冷使广泛分布于北半球的暖温带/亚热带生物区系的分布区破碎化，形成了各种洲际间断分布格局。其中东亚—北美东部间断分布最为常见，自林奈时代起就吸引了植物学家们的关注。为了探讨这一地理分布格局的形成过程，前人开展了大量的研究工作，包括间断类群分布的比较、种间关系的经典分类学和化学分类学研究、地理分布的分支分析、遗传距离的估算等。随着分子系统学的发展，在各级分类阶元水平上探讨植物系统发育关系的研究取得了重大进展，很多植物类群的系统发育得到了重建，这使东亚－北美间断分布类群的历史生物地理学研究变得更为切实可行。同时，生物地理学的理论有了新的发展，新的分析方法不断涌现，化石记录及古气候和古地质资料得到大量积累，为深入探讨东亚—北美间断分布提供了条件。目前，已有20 多个东亚－北美间断分布的植物类群被详细研究，丰富了我们对这一现象的认知。然而，以往的研究多基于单亲遗传的叶绿体基因和（或）PCR 直接测序所得的nrDNA ITS 序列，在探讨杂交和网状进化方面存在较大的局限性。在本研究中，我们选取了崖柏属（Thuja L.）这一典型东亚—北美间断分布类群，用来自叶绿体和细胞核的多个基因序列重建其系统发育，探讨其地理分布格局的形成过程，并讨论不同遗传体系的多基因联合分析在植物生物地理学研究中的应用。此外，我们还初步探讨了低拷贝核基因4CL 在广义柏科的进化式样。 1、崖柏属的系统发育和生物地理学研究 崖柏属共 5 种，其中3 种分布于东亚，2 种分别分布于北美东、西部。我们用5 个叶绿体DNA 片段（rpl16 内含子, atpI-rpoC1、trnS-trnfM 和trnS-trnG 基因间区以及trnT-trnF 区）和3 个核基因片段（ITS，LEAFY，4CL）的序列重建了崖柏属的系统发育。发现：（1）基因树拓扑结构的冲突存在于叶绿体基因和核基因之间，甚至不同的核基因之间，说明崖柏属曾发生多次种间杂交并导致网状进化;（2）崖柏属中存在两个种对，即日本香柏－崖柏和朝鲜崖柏－北美香柏;（3）朝鲜崖柏在叶绿体和核基因树上位于不同的位置，可能因古老的杂交和叶绿体捕获所致;（4）北美乔柏的叶绿体基因存在镶嵌式的变异，可能在物种形成过程中发生了叶绿体重组。根据分子钟度量结果，崖柏属两个种对的分化时间为51.1±3.96 Mya，日本香柏和崖柏的分化时间为23.7±5.04 Mya，朝鲜崖柏和北美乔柏的分化时间为14.7±6.06 Mya。 基于多个基因的系统发育分析、DIVA 分析、化石证据和分子钟度量，我们推测崖柏属在古新世或更早的时候起源于北美高纬度地区，并通过白令陆桥扩散到东亚，然后通过隔离分化形成日本香柏－崖柏这一种对。白令陆桥和阿留申陆桥可能在崖柏属的进一步迁移中起了重要介导作用，使崖柏属内发生了多次种间杂交事件，并导致了崖柏－日本香柏和朝鲜崖柏－北美香柏这两种主要的叶绿体类型间的重组以及朝鲜崖柏对北美香柏叶绿体基因的捕获。携带重组叶绿体DNA 的杂交个体迁入北美西部，产生了北美乔柏。根据分子钟估算结果，该迁移事件可能发生在中新世。 鉴于以往对东亚—北美间断分布植物类群的分子系统学研究多基于单亲遗传的叶绿体基因和（或）PCR 直接测序的ITS 数据，这些类群中的网状进化事件可能被低估。同时，我们的结论也部分解释了为什么东亚、北美东部、北美西部三者间的关系存在很多争议：频繁的杂交和渐渗模糊了种间的系统发育关系。因此，我们建议在生物地理学研究中用来源于多个基因组的多基因分析，特别是用单/低拷贝核基因。 2、广义柏科4CL 基因进化的初步研究 广义柏科是松杉类植物中唯一在南、北半球广泛分布的类群，该科中既有古老的孑遗属和寡种属，也有第三纪起源、呈南北半球间断分布的类群。研究4CL 基因在这一类群中的进化，有助于探讨低拷贝核基因在松杉类植物中的进化式样和规律。4CL 在植物次生化合物的生物合成中起重要作用，它催化激活4-香豆酸和一些相关的底物形成不同的辅酶A，促进各种苯丙烷类的代谢。 我们从广义柏科 17 个属中扩增并克隆到23 条4CL 基因序列。基因结构和系统发育分析表明，4CL 在广义柏科中分为4CLI 和4CL II 两大类，二者间的序列相似性为67-70％，进化速率也有很大差异。RT-PCR 结果证明这两种类型均能转录，推测它们都具有功能，且基因结构的差异和序列之间的高度分化暗示这两大类可能执行不同的功能。在4CL 基因树中，落羽杉亚科、北美红杉亚科、狭义柏科的单系都得到了支持。尽管4CL 在广义柏科中的类型及拷贝数还有待研究，但4CLI 很可能以单拷贝或低拷贝存在，其高变的内含子序列可以用来探讨种间的系统发育关系。

烟叶唇柱苣苔（Chirita heterotricha）两侧对称花的进化发育途径

被子植物菊亚纲原始类群的花为辐射对称花，伴随着适应性进化和传粉者的专性化，两侧对称花随之出现并快速进化和多样化。与花对称性相关的基因首先在模式植物金鱼草中被分离出来，它们包括TCP 基因家族的两个基因Cycloidea（CYC）和Dichotama（DICH），MYB 基因家族的两个基因Radialis（RAD）和Divaricata（DIV）。模式植物金鱼草的分子发育与遗传学研究初步揭示出在花对称性形成过程中相关调控基因的功能、表达模式及其相互作用机制。研究表明，金鱼草花中CYC 和DICH 基因只在背部表达，控制背部属性。DIV基因早期在所有部位表达，但只影响腹部属性。CYC 和DICH 通过激活与DIV具有颉抗作用的RAD 基因在背部的表达来抑制DIV 基因在背部的作用从而构建了金鱼草的两侧对称花。但是，被子植物繁杂多样的花对称性远非一种模式植物所能概括。此外，被子植物花对称性的演化也是一个悬而未决的问题。要全面了解被子植物花对称性的起源、多样化及其背后的决定机制，有必要进一步研究不同类群中花对称性相关基因的功能变化和进化式样。 苦苣苔科（Gesneriaceae）与金鱼草所属的车前科（Plantaginaceae）同属于菊亚纲的广义唇形目。研究表明广义唇形目的祖先已经具有了两侧对称花，苦苣苔科是广义唇形目的基部类群，具有与唇形目两侧对称花早期分化相关的各种两侧对称花类型。因此，在苦苣苔科选择两侧对称花代表类群开展花对称性的进化发育生物学研究十分有助于探讨苦苣苔科花对称性基因在两侧对称花类群的调控进化，从而揭示广义唇形目基部类群花对称性的进化发育模式。我们选择苦苣苔科两侧对称花类群烟叶唇柱苣苔（Chirita heterotricha）为主要研究材料。烟叶唇柱苣苔是苦苣苔科两侧对称性比较强烈的类群，主要体现在其只有腹部两枚雄蕊能育，背部和侧部雄蕊均败育，与金鱼草的近亲沙漠幽灵花（Mohaveae confertiflora）的形态类似。在沙漠幽灵花中CYC 类基因的表达从背部延伸到了侧部，但是在烟叶唇柱苣苔中是否遵循同一模式还是存在其他途径这是我们的主要研究目的。此外，我们发现在烟叶唇柱苣苔花序的顶花中偶尔会发生腹部化的辐射对称突变花。在金鱼草和柳穿鱼中，CYC 类基因的失活导致了辐射对称突变花的产生，而在豆科植物Cadia purpurea 中，CYC 类基因的活性从背部延伸到了侧部和腹部，导致了辐射对称花的形成。烟叶唇柱苣苔中的情形则值得我们关注。再者，革叶粗筒苣苔（Briggisia mihieri）是烟叶唇柱苣苔的近缘类群，但它具有四枚能育雄蕊（侧部和腹部各两枚）。苦苣苔科两能育雄蕊类群被认为起源于四能育雄蕊类群。我们在烟叶唇柱苣苔野生型两侧对称花和辐射对称突变花中开展花对称性基因的表达模式研究，结合在革叶粗筒苣苔中的研究，试图揭示烟叶唇柱苣苔两雄蕊类两侧对称花形成的分子机制和进化发育途径。 本研究从烟叶唇柱苣苔中分离到4 个CYC 类基因（ChCYC1C，ChCYC1D，ChCYC2A，ChCYC2B），2 个DIV 类基因（ChDIV1，ChDIV2）和2 个RAD 类基因（ChRAD1，ChRAD2）。从革叶粗筒苣苔中分离到4 个CYC 类基因（BmCYC1C，BmCYC1D，BmCYC2A，BmCYC2B），2 个DIV 类基因（BmDIV1，BmDIV2）和1 个RAD 类基因（BmRAD1）。序列和系统发育分析结果显示它们均为花对称性基因。进一步的表达分析显示结果表明：（1）不同拷贝CYC 类基因的表达存在着分化，与其氨基酸序列的分化一致；烟叶唇柱苣苔的CYC 类基因表达从背部延伸到了侧部而革叶粗筒苣苔的CYC 类基因仅在背部表达，与它们的形态分化密切相关。（2）DIV 类基因在种内两个拷贝以及种间的表达无明显的分化，在花的各个部位都有表达。（3）烟叶唇柱苣苔两个拷贝的RAD 类基因的表达存在分化；两个种的同类RAD 类基因的表达也存在分化。这些花对称性基因的表达模式分析揭示了它们在烟叶唇柱苣苔和革叶粗筒苣苔两侧对称花形态建成以及二者花形态的演化中具有重要作用。 同时，我们对烟叶唇柱苣苔的辐射对称突变花进行了自交和F1 代培育，但是F1 代没有出现稳定的辐射对称突变株。我们从辐射对称突变花中分离到的CYC 类、DIV 类和RAD 类基因的核苷酸序列与野生型的完全一致。说明突变体的产生与序列变异无关。RT-PCR 分析表明突变花中CYC 类基因全部失活，而DIV 类基因和在腹部表达的RAD 类基因的表达信号有所增强，这与其腹部化辐射对称的形态相一致。这进一步证实了花对称性基因在烟叶唇柱苣苔花形态建成中的作用。

菠菜硬脂酰ACP去饱和酶基因的克隆及其抗寒性转基因烟草的获得

低温是限制植物分布和生物产量的一个重要环境因子。低温的危害也是农业生产上经常遭受的主要自然灾害之一。改良作物的抗寒性是植物科学研究的一个重要课题。植物基因工程的兴起为此目的提供了有力的手段。 大量的研究证明，低温对植物的伤害，首先是使生物膜发生相变和相分离。因此，保持低温下生物膜功能性的液晶态是抗寒的重要机制。研究表明，生物膜这种具流动性的功能态的保持，是与其组成上的膜脂脂肪酸的不饱和度成正相关的。 已有几个关于通过提高膜脂脂肪酸不饱和度的基因操作而增加植物抗寒性的报道。在众多的植物脂肪酸去饱和酶中，硬脂酰ACP去饱和酶(SAD)是最为关键的酶之一。它催化脂肪酸的第一步去饱和反应：18：0-18：l¨。多不饱和脂肪酸是在1 8：1 中由其他去饱和酶再加入双键而生成的。因此，SAD的活性水平是决定植物膜脂不池和度的一个关键因素。 本研究以酸酚法提取的菠菜总RNA为材料，采用反转录一PCR的方法，克隆得到SAD基因，经定向缺失法获得一套该基因的缺失突变体后,用DNA 自动测序仪和双脱氧链终止法测序。获得的SAD基因序列与Nishlda(1992)等发表的菠菜sADcDNA核苷酸序列比较。两者的编码SAD的ORF都为ll97bp，核苷酸差异仅为8bp。但令人惊奇的是我们克隆到的基因，其5‘端上游还存在-个小的ORF，长30bp．编码10个氨基酸。其他报道的SAD基因中都没有这个ORF。 将克隆到的SAD基因构建成两个植物双元表达载体：正义的pB112-13和反义的pB112-6。用叶盘法转化烟草。DNA点杂交和Southern杂交筛选出转基因植株。抗寒性测定表明：当植株置于6'C40小时，转基因植株和对照的相对电导率比较一致，无明显改变;而在88小时，pB121-6转化植株和对照的相对电导率明显升高，以pB1121-6植株升高更多，但pB1121-13转化植株的相对电导率始终保持在较低水平。短暂冰冻处理（-20'C，4O分钟）后置室温下4天，pBl121-6转化烟草总叶绿素含量损失最多，对照次之，而pB1121-13转化烟草中多数植株总叶绿素损伤量都低于其他两种烟草。从这两个抗寒性测定实验，可判定pBl l 2 l—I 3烟株最抗寒，对照次之，而pB1121-6烟株最不抗寒。 由于pB1121-13是增强转基因烟草中SAD活性，而pB1121-6是削弱SAD基因的表达，因此．本研究首次证明通过SAD的基因工程可以改变植物的抗寒性。