车前科和苦苣苔科一些典型类群花对称性基因的进化发育生物学研究—兼论地黄属和崖白菜属的系统位置

在模式植物金鱼草中的花对称性分子发育与遗传学研究揭示出相关调控基因在花对称性形成过程中的功能和表达式样及其相互作用机制，但被子植物中花对称性的繁杂多样远非模式植物的表达模式所能概括。因此，我们选择车前科和苦苣苔科中与金鱼草较近缘的典型类群地黄属和非洲紫罗兰属作为研究对象，针对它们在花对称性形成方面区别于金鱼草的不同式样，开展这些类群中花对称性主控基因CYCLOIDEA(CYC)类基因的进化发育生物学研究。该研究旨在探讨CYC 类基因的功能和表达式样的变化在进化上的内在联系。 地黄花对称性基因的进化发育研究结果显示，地黄中CYC 类基因RgCYC 的表达模式与CYC 基因在金鱼草中和McCYC 基因在Mohavea 中的表达模式存在明显的差异。首先， RgCYC 基因在近轴雄蕊预期发生位置表皮细胞下的强烈表达与地黄近轴雄蕊的缺失密切相关。转录因子中的氨基酸替代所导致蛋白质功能的改变使RgCYC 基因对细胞周期基因cyclin D3b 抑制作用的增强可能是地黄中近轴雄蕊原基发生过程被彻底阻断的主要原因。由此看来，CYC 类基因的作用不仅导致近轴花器官生长缓慢或退化，而且可能与自然类群中花近轴器官丢失的现象有关。其次，同McCYC 基因在Mohavea 中的表达模式相似，RgCYC 基因的表达也从近轴雄蕊延伸到了两侧雄蕊，但是并没有强烈地抑制两侧雄蕊的发育，仅仅使得两侧雄蕊短于远轴雄蕊从而在地黄中形成二强雄蕊。这一现象可能是由于RgCYC 基因的表达与McCYC 基因的表达在时间和空间上的差异所造成的，并显示地黄中二强雄蕊的形成机制和金鱼草完全不同。第三，RgCYC 基因在近轴花冠裂片的表达没有象CYC 在金鱼草中一样明显促进它们的生长。此外，近轴花冠裂片明显的自身对称性显示在地黄中RgCYC 基因在两侧对称性形成方面可能单独对近轴花器官进行调控。地黄中RgCYC 基因的表达模式反映了广义唇形目中从五数花到四数花进化过程的一种新的进化机制。 两侧对称花向次生辐射对称花的反演进化机制在花对称性进化发育研究中倍受关注。我们在苦苣苔科中选择非洲紫罗兰栽培品种作为研究材料，通过 mTAIL-PCR 分别在两侧对称花和辐射对称花的栽培品种中分离出了包含完整的 ORF 的CYC 类基因：SiCYC1A 和SiCYC1B。这两个基因的完整序列在DNA 水平的相似性为88%，均包含了完整的TCP domain, R domain 和 5’ 端区段。令人意外的是SiCYC1A 和SiCYC1B 这两个基因的DNA 序列在两侧和辐射对称花品种中均完全一致。根据对导致辐射对称花产生机制的比较分析，我们认为在这两个栽培品种中的SiCYC1A 和 SiCYC1B 基因可能存在着某一共同的调节因子对其进行调控。其可能途径是该调节因子同时调控SiCYC1A 和 SiCYC1B 基因，这一共同的调节因子的改变导致了SiCYC1A 和 SiCYC1B 基因部分或完全失去功能，从而使两侧对称花转变为辐射对称花。 崖白菜属的花部器官发生研究显示其花萼和花冠裂片的发生顺序与毛地黄族和婆婆纳族相似，花冠裂片早期生长的迟滞和花冠裂片折叠式样介于毛地黄族和婆婆纳族之间。但是，近轴雄蕊的发育缺失完全不同于毛地黄族中的其它类群。对地黄属和崖白菜属以及它们近缘类群的ITS 或trnL-F 序列所构建的系统树的分析显示，地黄属和崖白菜属呈姊妹群。然而，分子系统学研究结果并不支持传统系统学和个体发育研究对这两个属科级系统位置的认识。毛地黄属与婆婆纳属和车前属构成一个单系分支，而地黄属与崖白菜属则形成另外一个独立的分支，并与泡桐属与透骨草科所形成的分支首先聚在一支。因此，毛地黄族可能并不是一个单系类群，地黄属和崖白菜属的科级系统位置可能需要重新考虑。

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。