花朵的千姿百態(tài)從何而來？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，傳粉昆蟲的“偏愛”是重要推手！被子植物為吸引傳粉者，演化出精妙的花部結(jié)構(gòu)。有趣的是，在親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的植物中，相似的傳粉環(huán)境會(huì)讓花朵“殊途同歸”—形成趨同演化的形態(tài)特征。然而，同一性狀趨同演化背后的基因密碼是否相同是進(jìn)化生物學(xué)的核心謎題之一。異型花柱（heterostyly）現(xiàn)象堪稱植物花結(jié)構(gòu)的精巧設(shè)計(jì)：同一個(gè)物種的群體中存在兩種或三種花型，雌蕊和雄蕊高度呈互補(bǔ)排列（如高柱頭配矮花藥，矮柱頭配高花藥），這種花部結(jié)構(gòu)的“交互異位”不但能夠促進(jìn)花粉精確傳遞，促進(jìn)異株授粉，維持種群多樣性，而且還能減少花粉干擾與避免近親繁殖。異型花柱這類植物花部結(jié)構(gòu)多態(tài)性現(xiàn)象至少在被子植物28個(gè)科中被發(fā)現(xiàn)，其中茜草科中發(fā)現(xiàn)有最多的屬和種具有異型花柱的性系統(tǒng)，然而調(diào)控花柱長(zhǎng)短相關(guān)基因及分子調(diào)控機(jī)制卻仍然成謎。
中國(guó)科學(xué)院華南植物園羅世孝研究團(tuán)隊(duì)以茜草科玉葉金花屬（Mussaenda）為研究對(duì)象，結(jié)合基因組從頭組裝、比較基因組、群體基因組、轉(zhuǎn)錄組和系統(tǒng)發(fā)育等手段，鑒定了控制玉葉金花屬異型花柱發(fā)育的超基因（S-locus supergene）的結(jié)構(gòu)及其起源演化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)（1）控制玉葉金花屬異型花柱發(fā)育的超基因由3個(gè)緊密連鎖的基因（MuIAA,MuGA3ox,MuAPs）組成，且只存在于短柱花個(gè)體中，呈半合子結(jié)構(gòu)；（2）由于半合子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的重組抑制，S-locus?所在基因組區(qū)域比其兩側(cè)區(qū)域富集顯著高比例的重復(fù)序列；（3）S-locus?超基因是通過基因的逐步復(fù)制并且插入到該區(qū)域所形成的,?其中MuIAA?的復(fù)制出現(xiàn)在茜草科分化之前，而MuGA3ox?則出現(xiàn)在茜草科物種分化之后；（4）超基因中名為MuIAA的生長(zhǎng)素響應(yīng)基因在短花柱的雌蕊和花筒部位高度活躍，是調(diào)控花柱長(zhǎng)短的候選基因。該研究不僅證實(shí)異型花柱演化在分子上存在趨同機(jī)制（S-locus?的普遍半合子結(jié)構(gòu)），更首次揭示生長(zhǎng)素相關(guān)基因在調(diào)控花柱長(zhǎng)短的核心作用。未來進(jìn)一步的科學(xué)問題包括為什么某些植物類群更易演化出異型花柱？激素代謝通路如何影響這類精巧結(jié)構(gòu)的存續(xù)？這些發(fā)現(xiàn)將為解析植物多樣性起源打開新窗口。
相關(guān)研究成果以“Genomic evidence unveils the genetic architecture and evolution of the?S-locus controlling heterostyly in Rubiaceae”?為題于近日發(fā)表于植物學(xué)期刊New Phytologist?（《新植物學(xué)家》）(IF5year=10.3)上。華南植物園副研究員袁帥為論文第一作者，羅世孝研究員和張奠湘研究員為共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（32370239）和華南植物園青年人才專項(xiàng)（QNXM-06）的資助。文章鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.70311
圖1. 三種玉葉金花屬植物圖片。下側(cè)解剖圖分別展示長(zhǎng)柱花和短柱花結(jié)構(gòu)。
圖2. 玉葉金花屬S-locus?超基因的半合子結(jié)構(gòu)及其分子進(jìn)化規(guī)律。
圖3. 玉葉金花屬長(zhǎng)柱花和短柱花的花柱和花冠管的差異表達(dá)基因。S-locus?基因MuIAA?和MuAPs?在短柱花中顯著高表達(dá)。
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