Patterning of the Chrysanthemum Inflorescence:Roles of B-Class and CYC2 Subclade Genes

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花是观赏植物最重要的部分之一。模式植物拟南芥和金鱼草中的花器官特征的决定遵循经典的ABCE模型,这些ABCE基因编码的蛋白以四聚体的方式决定花器官的发育。与具有独立而简单的花的模式植物不同,菊花的头状花序由数百个紧密排列的位于边缘舌状花和中央的管状花组成。广泛栽培的菊花品种根据舌状花数目的不同,可分为单瓣型和重瓣型;根据管状花形态的不同可分为托桂型和非托桂型。但这些形态各异的菊花花型的形成机制还不清楚。为了探索菊花和花序形态形成的调控机制,本研究在不同花型中对B类基因和CYC亚家族基因进行了表达分析,旨在探究这两类基因在花序形态建成中的功能。此外,我们还克隆了一个B类基因CDM19,并对其功能进行了详尽的分析。主要内容与结论如下:1.在多个托桂和非托桂菊花栽培品种中,我们对B类基因和CYC2亚家族基因的表达情况进行分析,结果表明CmCYC2d和CmCYC2f在托桂品种的管状花中具有更高的表达,但B类基因的表达并无规律性。2.在多个单瓣和重瓣菊花栽培品种中,我们同样对B类基因和CYC2亚家族基因的表达进行了分析。结果显示,B类基因CDM19,CmAP3L1.1和CDM86在重瓣品种中的表达量比单瓣品种中的表达量低。因此,我们推测B类参与了小花数目的决定和花序的形态发育。而CYC2亚家族基因的表达并无规律性,因此它们可能并不是控制菊花舌状花数目的因素。3.我们对B类基因CDM19进行了克隆和表达分析。CDM19具有696bp的开放阅读框(ORF),预测其编码232个氨基酸。CDM19不具有转录激活能力,且在洋葱表皮细胞中的瞬时表达显示其在整个细胞中表达。序列和系统进化分析显示CDM19属于DEF/AP3分支并具有MIKC-Ⅱ的典型结构。表达分析表明,CDM19在舌状花的花瓣和管状花的花瓣以及雄蕊中表达,在心皮中有较弱表达。4.在拟南芥中CDM19的异位表达改变了心皮的发育,产生了多心皮的长角果。CDM19只能部分回补ap3-3突变体的表型。在菊花‘神马’中组成型表达CDM19,导致舌状花的第三轮产生花瓣化器官。而在转基因植株中,调控第三轮花器官发育的AGAMOUS同源基因CDM37的表达量没有显著变化,这表明CDM19表达量的变化是造成第三轮器官花瓣化的原因。在35S::CDM19过表达株系中管状花的对称性发生了明显的变化。5.对已知的调控花对称性的CYC2亚家族基因的表达进行分析,结果显示CmCYC2c和CmCYC2d在转基因植株中表达量显著升高,这表明CDM19可以正向调控这些花对称基因的表达,从而引起菊花小花对称性的变化。在花序水平上,35S::CDM19过表达株系中的舌状花的形态不同于野生型舌状花的形态并且小花的数量也显著低于野生型,从而产生更紧凑的花序。总之,我们的研究结果表明CDM19除了决定花瓣和雄蕊的发育外,还在心皮的发育中具有新的功能。此外,CDM19可以正向调节参与花对称性的CmCYC2c和CmCYC2d基因的表达。本研究为进一步揭示菊花不同花型的发育机制奠定了理论基础。
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