植物C類MADS-box基因的分子進化和功能分化研究

《植物C類MADS-box基因的分子進化和功能分化研究》是公丕昌為項目負責人，中國科學院植物研究所為依託單位的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：植物C類MADS-box基因的分子進化和功能分化研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：公丕昌
• 依託單位：中國科學院植物研究所

項目摘要

基因或基因組重複事件是維持基因家族進化和生物多樣化的重要推動力。MADS-box轉錄因子家族在植物花部器官的形態建成和發育中起重要調控作用。C-功能MADS-box基因AGAMOUS（AG）主要控制花部第三、四輪的器官身份，而且它的同源基因也參與果實的發育過程。AG基因家族在植物進化史上發生多次基因重複事件，該基因家族的起源、分子進化和功能分化模式需要進一步探討。毛酸漿中共存在三個C類MADS-box基因，其中PFAG2參與調控果實細胞分裂的過程，暗示這些同源基因之間可能存在功能分化。本項目擬研究C-功能基因家族在植物中的分子進化模式，揭示基因重複事件的發生及其進化規律；比較研究植物中C類基因在花與果發育過程中的表達和它們的蛋白互作模式理解其對花後器官發育的影響；著重研究AG同源拷貝在毛酸漿花與果發育中的功能分化及其分子機制；這對揭示C-功能基因調控植物花與果形態的進化發育過程具重要意義。

結題摘要

心皮作為被子植物的關鍵特徵性狀之一。根據經典的花發育“ABCD”模型，C類MADS-box基因控制心皮的發育，且與A類相拮抗；D類基因特異地控制胚珠的發育。本研究中，系統進化分析揭示植物各類群中AGAMOUS同源基因廣泛分布（藻類植物除外）；該類基因在被子植物祖先類群中經歷一次重複事件產生了AG（C類）和AGL11（D類）兩類；在核心真雙子葉植物祖先類群中又經歷了一次基因重複事件，產生了euAG和PLE類兩個分支。通過轉錄組數據比對分析，毛酸漿基因組中存在3個C類同源基因（PFAG1，PFAGL1和PFAG2）和1個D類同源基因（PFMBPF3）。其中PFAG1和PFAGL1主要在心皮中高表達，而PFAG2主要在花的營養器官如萼片以及果實中高表達。水稻中存在兩個C類同源基因（OsMADS3和OsMADS58）和兩個D類直系同源基因（OsMADS13和OsMADS21）。OsMADS21和OsMADS58特異的表達在雌蕊中，暗示這兩個基因在水稻心皮的形態建成和胚珠的發育過程中起主導作用；OsMADS3除了在雌蕊中表達外，還在內稃、漿片和雄蕊中表達，OsMADS13除了在雌蕊和穎片中高表達外，在內稃和漿片中也檢測到了一定的表達量，說明這兩個基因還可能在穎片、稃片、漿片、雄蕊的發育過程中發揮一定的作用。基因表達差異暗示它們控制毛酸漿、水稻的花和果實的發育是多方面的，這可能與它們各自的調控通路以及蛋白互作網路密切相關。水稻AGAMOUS蛋白互作譜分析表明，OsMADS3、OsMADS58，OsMADS13和OsMADS21除了與7個MADS蛋白都能互作（A類，OsMADS14和OsMADS15； E類OsMADS1、OsMADS7和OsMADS8；AGL6類OsMADS6和OsMADS7）外，重要的是它們各自招募更多的其它非MADS蛋白，暗示這些特異互作蛋白可能參與心皮的功能多樣化進化過程。綜上，本研究的結果有助於理解該類基因在雌、雄蕊生殖器官的形態建成和身份決定中的作用，並有助於闡明花器官的身份決定與果實膨大之間的關係。