花瓣平行丟失的分子機制研究獲進展

2020-09-14 中科院之聲

花瓣是被子植物吸引傳粉者的重要媒介，在形態和結構等方面呈現出多樣性。已有研究表明，花瓣由苞片或雄蕊多次獨立演化而來，但在不同分支中發生了丟失，導致多個無花瓣類群的獨立起源。然而，到目前為止，導致花瓣平行丟失和無花瓣類群獨立起源的分子機制尚不清楚。

中國科學院植物研究所孔宏智研究組長期從事花和花器官起源和多樣化的分子機制研究。此前研究發現，毛茛科（Ranunculaceae）植物的最近共同祖先是有花瓣的，但在九個分支中獨立演化出無花瓣類群；花瓣身份基因APETALA3-3（AP3-3）的「不表達」與花瓣的丟失密切相關，儘管導致其「不表達」的機制在不同分支中並不相同。然而，由於取樣有限，毛茛科其他無花瓣分支中AP3-3基因的表達情況及其與花瓣平行丟失的關係並不清楚。

近日，該研究團隊以所有九個無花瓣分支的代表物種為材料，通過轉錄組、分子進化、比較形態學和功能研究，系統探究毛茛科中花瓣平行丟失的分子機制。研究發現：AP3-3的不表達或表達下調確實與花瓣的完全丟失密切相關；在九個無花瓣分支中，AP3-3在黃根葵屬（Hydrastis）、唐松草屬（Thalictrum）和驢蹄草屬（Caltha）中可能已完全丟失，在擬扁果草屬（Enemion）和雞爪草屬（Calathodes）中存在但並不表達，在三個分支鐵破鑼屬（Beesia）、鐵線蓮屬（Clematis）和白根葵（Glaucidium）中存在、表達但表達量明顯降低，在假美洲升麻（Trautvetteria）中正常表達；與近緣有花瓣物種相比，野生無花瓣物種中萼片的數目往往沒有增加，但其雄蕊數目卻相對增多，表明花瓣的丟失是由花瓣向雄蕊的同源轉變造成的；在新近起源的一個無花瓣類群擬扁果草屬中，花瓣向雄蕊的同源轉變可能與C功能基因AGAMOUS1（AG1）調控區的突變以及由此引起的表達量升高和表達範圍外擴有關。這些研究結果表明，毛茛科大多數無花瓣分支中花瓣的丟失可能是由AG1的表達外擴造成，而AP3-3的丟失、沉默和表達下調可能是結果。該研究有助於全面認識毛茛科植物花瓣平行丟失的分子機制，並為理解被子植物其他類群中的花瓣丟失問題提供新思路。

9月5日，相關研究成果在線發表在The Plant Journal上。孔宏智研究組博士後段曉姍、博士生趙彩耀和已畢業博士生蔣永超為論文共同第一作者，研究員孔宏智和副研究員山紅豔為論文共同通訊作者，研究工作得到中科院的資助。

圖1.APETALA3-3基因在毛茛科有花瓣和無花瓣物種中的情況

圖2.毛茛科植物中有花瓣向無花瓣轉變的兩種可能途徑

來源：中國科學院植物研究所

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