鼎湖后蕊苣苔(Opithandra dinghushanensis)(苦苣苔科)CYC类基因的表达模式及其对背部和腹部雄蕊的作用-兼论后蕊苣苔花对称性形态建成的进化发育途径

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:caiwenta
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伴随着被子植物的适应性辐射,花对称性则沿着不同的方向从辐射对称向两侧对称演化。广义唇形目(Lamiales sensu lato)是被子植物中以两侧对称花为主的一个较大支系,它的两侧对称花的类型繁杂多样,其中包括发育生物学上重要的模式植物金鱼草(Antirrhinum majus)。然而,除了金鱼草和沙漠幽灵花(Mohavea confertiflora)外,广义唇形目中其它两侧对称花类型的分子控制机理还未被探究。   在金鱼草和沙漠幽灵花中,它们的两侧对称花分别由CYC/DICH及其同源基因McCYC/McDICH所控制。其中金鱼草的背部雄蕊的败育由CYC/DICH在背部雄蕊的特异性表达所致,而沙漠幽灵花的背部和侧部雄蕊的共同败育则是由McCYC/McDICH的表达从背部雄蕊扩展到侧部雄蕊所致。   苦苣苔科是广义唇形目的基部类群,具有与广义唇形目两侧对称花的早期分化相关的各种两侧对称花类型。在苦苣苔科中,后蕊苣苔属植物具有独特的花形态特征,在其花的第三轮上仅有侧部雄蕊可育,背部和腹部雄蕊均不育。系统发育分析暗示后蕊苣苔属的花形态可能是从具有四个可育雄蕊和一个不育的背部雄蕊的微弱两侧对称花类型演化而来。因此,后蕊苣苔属植物独特的花形态结构是探索被子植物特别是广义唇形目植物两侧对称花进化和多样化过程中创新性状(novel character)形成机制的一个理想的研究材料。   本研究中的鼎湖后蕊苣苔(Opithandra dinghushanensis)具有微弱两侧对称的花冠,背部的两个花瓣裂片较小,侧部和腹部的花瓣较大。然而,其雄蕊则具较强的两侧对称性。它的背部雄蕊在发生后不久发育就停滞,最后成为了退化雄蕊,两个腹部雄蕊在发生之后继续发育,但速度减缓,最后成为不育雄蕊,只剩下两个侧部雄蕊可育。由于苦苣苔科和婆婆纳科(Veroniaceae)(金鱼草属于婆婆纳科)的亲缘关系较近,而CYC的基本功能之一就是抑制雄蕊的发育,因此我们推测鼎湖后蕊苣苔背部和腹部雄蕊的同时败育很可能由CYC在鼎湖后蕊苣苔中的同源基因GCYC的表达范围的复杂变化(例如GCYC在腹部的异位表达)导致的,而且在鼎湖后蕊苣苔中很可能存在着其它未知的机制。为了验证是何种机制在起作用,我们进行了以下的实验研究:   1.CYC类基因和D3型细胞周期蛋白基因的克隆   我们应用RACE技术和普通PCR技术克隆得到了鼎湖后蕊苣苔4个CYC类基因,即OpdCYC1C,OpdCYC1D,OpdCYC2A和OpdCYC2B;同时我们应用RACE技术也克隆到了2个D3型细胞周期蛋白基因,即Opdcyclin D3a和Opdcyclin D3C。   2.序列比较和分子系统发育分析   应用不同的比较软件和分子系统发育分析工具对鼎湖后蕊苣苔的CYC类基因和D3型细胞周期蛋白基因进行了比较和分析。结果表明:鼎湖后蕊苣苔的CYC类基因是金鱼草的CYC基因的同源基因;而鼎湖后蕊苣苔的D3型细胞周期蛋白基因是动植物中D3型a和c类细胞周期蛋白基因的成员。   3.CYC类和D3型细胞周期蛋白基因的表达分析   我们应用RNA组织原位杂交技术对CYC类和D3型细胞周期蛋白基因进行了表达分析。结果显示CYC类和D3型细胞周期蛋白基因在鼎湖后蕊苣苔中展示了独特的表达模式,而它们的独特表达模式与鼎湖后蕊苣苔花的形态建成是一致的,显示了CYC类基因表达模式的变化正是导致鼎湖后蕊背部和腹部雄蕊败育的原因。   总之,我们的研究表明:   (1)本研究首次发现了CYC类基因在腹部花器官上表达;   (2)我们的研究展示了OpdCYC1C在花发育后期集中在背部和腹部雄蕊上的表达以及OpdCYC2在背部雄蕊上的特异表达导致了鼎湖后蕊苣苔花背部和腹部雄蕊的一同败育;   (3)我们的研究展示了OpdCYC基因负调控Opdcyclin D3a的表达,另外在金鱼草中CYC也负调控Amcyclin D3b,这些结果暗示了CYC类基因对D3型细胞周期蛋白基因的负调控关系可能广泛存在于广义唇形目中;   (4)OpdCYClC在侧部雄蕊上的瞬时表达以及其它的比较证据暗示:CYC类基因对雄蕊育性的控制具有明显的剂量效应(dosage effect),其中CYC类基因的晚期表达水平和时间长短在确定雄蕊的育性上起着重要的作用;   (5)OpdCYC基因在整个花分生组织中的表达可能反映了广义唇形目中CYC类基因祖先的雏模式(prepattern),而这种CYC类基因祖先的雏模式很可能在金鱼草中丢失掉了。
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