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植物所科研人员在花型调控的分子机制和重要花卉植物起源方面取得重要进展


2018-05-11

花卉的驯化被认为是植物在人工选择下快速形态进化的典型案例。虽然人们在以往的研究中发现了大量控制农作物驯化综合征的关键基因,但花卉在人工选择下产生典型观赏特征的分子进化机制尚不明确。

大岩桐(Sinningia speciosa)是一种重要的观赏花卉,具有光彩夺目的辐射对称花,曾受到达尔文的关注。野生大岩桐原产巴西,在适应熊蜂传粉中,进化出向侧部开放、背部雄蕊败育的两侧对称花。大岩桐约在200年前引进英国。在人工选择下,栽培大岩桐产生向顶部开放的绚丽辐射对称花。因此,研究栽培大岩桐顶开辐射花型的进化机制,对于理解花卉植物在人工选择下产生典型观赏特征的分子进化机制具有重要意义。

中国科学院植物研究所王印政研究组通过解剖发现,大岩桐背部花冠筒基部产生的囊状结构是决定野生大岩桐的花向侧部开放的关键结构。遗传学实验及关联分析显示,大岩桐向顶部开放和辐射对称花受单基因控制,TCP基因家族成员SsCYC第一个外显子上10-bp的碱基缺失与顶开辐射花型极为显著的关联。进一步研究显示,SsCYC基因在野生大岩桐背部花器官和囊状结构中特异性表达,特别在囊状结构的横切面呈梯度表达模式,从内表皮至外表皮表达量逐渐降低,导致了细胞的不对称生长而产生了囊状结构;该基因第一个外显子上的碱基缺失导致严重的移码突变,产生功能完全缺失的蛋白,使得不对称生长消失,这一突变被人工选择从而产生了向顶部开放的辐射对称花。通过对原始文献的查阅、系统关系重建以及遗传推演,研究人员确定来自里约热内卢的2个野生大岩桐居群可能是栽培大岩桐的祖先。

该研究展示了在选择压力下一个多效性基因简单的遗传突变促使花器官复杂精致结构的协同进化,首次报道了花卉植物因人类审美而在人工选择下产生典型观赏特征的分子进化机制,加深了人们对于重要花卉起源的认识。

该研究成果于近日在线发表于国际学术期刊Molecular Biology & Evolution上。王印政研究组博士后董阳和博士研究生刘静为论文共同第一作者,王印政研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金重点项目、面上项目、青年基金以及博士后特别基金的共同资助。

  文章链接:

  https://doi.org/10.1093/molbev/msy090

  

大岩桐花型的分子调控机制和驯化模型    

   

野生型和栽培大岩桐的花部结构。A-D:野生型大岩桐;E-H: 栽培大岩桐