CUC基因在姜目花器官多样性中的功能及进化研究

Zingiberales are important resource plants with high ornamental value and economic value. Their flowers are colorful and diverse morphologically. Recently, the floral organ identity network which focuses around the ABC model is of interest to organ identity in model species, but does not define the processes by which organs acquire different shapes or participate in the overall organization of floral form. However, it is important to clarify the reason why flowers in Zingiberales are diverse morphologically. . In our previous study, we found that one developmental process that contributes to Zingiberales floral evolution is the process of fusion. CUC (CUP-SHAPED COTYLEDON) are a class of gene family specifically express in plant organs border, playing an important role in the formation and maintenance of boundary process.. In this project, we will study CUC gene expression, evolution and function in flowers of Zingiberales based on morphological anatomy, genetics, molecular biology and bioinformatics. The results of this project will ①reveal the role of CUC gene in flower organ fusion process, ②clarify the role of CUC gene in the floral evolution of Zingiberales, ③ evaluate the relationship between CUC gene and flower morphology diversity. . The result will provide theoretical guidance for changing flower morphology by molecular genetic manipulation and cultivating high-value ornamental horticulture new varieties.

姜目（Zingiberales）植物是重要的资源植物，花形多样、艳丽多姿，具有很高的观赏和经济价值。在姜目花器官进化过程中，某些植物出现了花器官融合的现象，目前对姜目植物花发育的研究主要集中在“ABC”模型上，但其并不能解释这一现象。CUC（CUP-SHAPED COTYLEDON）基因是一类在植物器官边界特异表达的基因家族，在叶缘刻裂和花器官融合中发挥着重要作用。本项目拟采用形态解剖学、遗传学、分子生物学和生物信息学方法，多学科综合研究CUC基因在姜目花器官发生发育中的时空表达特性，并对其进行基因进化和功能分析，以期①揭示CUC基因在姜目花器官融合过程中的作用；②阐明CUC基因在姜目花进化过程中的作用；③评价CUC基因与姜目花形态多样性产生的关系。研究结果可望在一定程度上阐明姜目花器官多样性产生的分子机制，并为通过分子遗传操作改变花的形态结构、培育观赏价值大的园艺新品种提供理论依据

姜目植物是重要的资源植物，在进化过程中出现了花器官融合的现象，这是受边界特异性基因和器官特异性表达基因这两类基因的共同调控，其中雄蕊融合又涉及到雄蕊瓣化这一机制，受到花器官属性决定基因的调控。本项目采用形态解剖学、遗传学、分子生物学和生物信息学方法，多学科综合研究边界基因 （如CUC1-3、JLO、KNAT6 等）、器官特异性基因（如PTL、SUP、RBE 等）和花器官属性决定基因（如AP1，AP2，GLO，AG 等）在姜目花器官发生发育中的时空表达特性，并对其进行基因进化和功能分析。结果①对姜科三裂唇瓣代表种红球姜的花器官发生发育及唇瓣融合过程进行了详细研究，首次对姜科三裂唇瓣的起源和组成做出了解释，同时发现CUC2，NAM，JLO和 KNAT6在花原基时期的表达量高于花器官分化后时期，推断这些基因在花发育早期发挥作用。②对姜科白姜花管状萼片的形成及调控基因的表达模式进行探究，并通过RNA原位杂交发现HcPTL不仅参与白姜花花被片的形成，而且参与其早期花发育中包括雄蕊和心皮在内的花器官的发育。HcCUC2主要在花分化早期的表达，随着花器官分化，其表达量逐渐下降。而HcCUC3在花原基的表层细胞表达，并随着花器官的分化，其表达量逐渐升高。③对姜目中处较原始地位的兰花蕉科兰花蕉的花序和花发育过程进行观察，研究结果对揭示芭蕉科、蝎尾蕉科、旅人蕉科和兰花蕉科的系统位置具有重要价值。④对美人蕉科的花序结构进行观察，发现CiTFL1的表达量由花序原基至蝎尾状聚伞花序原基至花原基逐渐降低，表明其花序分生组织属性依次减弱。⑤对美人蕉雄蕊不对称瓣化的分子机制进行研究，对CYC/TB1同源基因在花序和花发育过程中的时空表达模式进行了分析，认为美人蕉雄蕊的不对称瓣化和不对称花的形成与其花序结构有关。以上研究结果可在一定程度上阐明姜目花器官多样性的分子机制，为姜目植物资源的开发利用提供理论基础。

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