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生物表型的呈現(xiàn)是基因型與環(huán)境相互作用的結(jié)果。面對(duì)環(huán)境變化的挑戰(zhàn)，發(fā)育穩(wěn)定性很大程度上決定了物種的穩(wěn)健性，而發(fā)育可塑性則與物種多樣性和適應(yīng)性進(jìn)化有關(guān)。花器官和果實(shí)性狀與營(yíng)養(yǎng)器官相比，尤其具有表型穩(wěn)定性和抗環(huán)境影響的能力，因此成為植物分類學(xué)的診斷性特征。然而對(duì)于生殖器官發(fā)育穩(wěn)定性維持的機(jī)制尚不清楚。

水稻BTZ參與花器官發(fā)育穩(wěn)定性的維持

國(guó)家植物園（南園）賀超英研究組開(kāi)展外顯子拼接復(fù)合體（exon junction complex，EJC）的功能與進(jìn)化研究，發(fā)現(xiàn)EJC的核心成員基因BARENTSZ（BTZ）在現(xiàn)存的禾本科植物中存在3組旁系同源基因，其中第2組在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生了功能喪失突變，存留的BTZ旁系同源蛋白組間具有較低的序列一致性，這暗示著它們之間很可能存在功能分化。然而對(duì)水稻中OsBTZ1和OsBTZ3進(jìn)行基因編輯發(fā)現(xiàn)，osbtz1和osbtz3單基因突變體表現(xiàn)出相似且低頻的花器官形態(tài)缺陷，雙基因突變體osbtz1/3花器官的變異頻率明顯提高且育性顯著降低；在低溫條件下，所有osbtz突變體花器官的異常發(fā)育和功能缺陷變得更為明顯，并誘導(dǎo)出新的花器官變異類型，然而野生型水稻“中花10號(hào)”則沒(méi)有明顯的花器官變異。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)OsBTZs與OsMADS7和OsMADS8相互作用；與野生型相比，osbtz突變體幼穗發(fā)育中OsTGA10和一些花發(fā)育相關(guān)的MADS-box基因的表達(dá)發(fā)生了相應(yīng)改變并應(yīng)答溫度變化。因此，水稻中兩個(gè)序列高度分化的BTZ同源基因具有相似的發(fā)育功能，平行參與協(xié)調(diào)花器官身份與功能的決定，是溫度波動(dòng)時(shí)維持水稻花發(fā)育穩(wěn)定性和生殖功能決定所必需的。

上述研究結(jié)果闡明了水稻兩個(gè)BTZ同源基因在溫度波動(dòng)時(shí)維持花發(fā)育穩(wěn)定性的分子機(jī)理及其功能分化機(jī)制，為理解EJC參與植物發(fā)育和適應(yīng)性進(jìn)化提供了新例證與新見(jiàn)解。

該研究成果于近日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊The Plant Journal上。國(guó)家植物園（南園）已畢業(yè)博士研究生李培綱和全慧為論文共同第一作者，賀超英研究員為通訊作者。國(guó)家植物園（南園）已畢業(yè)碩士研究生賀文超、博士研究生雍斌和在讀博士研究生武蘭鳳，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉向東教授和陳志雄副研究員參與了部分工作。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

功能進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)研究組

組長(zhǎng)：賀超英研究員

郵箱：chaoying@ibcas.ac.cn

主要研究方向：

從事功能進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)和功能基因組學(xué)等方面的研究工作。研究興趣涉及生物多樣性進(jìn)化的分子機(jī)制和重要農(nóng)（園）藝性狀自然變異、馴化和作物設(shè)計(jì)的分子基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容包括：植物花與果實(shí)形態(tài)多樣性的進(jìn)化機(jī)制、農(nóng)作物重要基因功能進(jìn)化及其挖掘利用等方面研究。

編輯 | 韓藝

審核 | 梁鵬鴻