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兰州大学刘建全团队揭示高山植物二型花分化和维持的分子生态学机制

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责编 | 王一

二型花(dimorphic flowers)是指一株植物上同时存在两种类型的花:一种花可通过开花吸引昆虫进行异花授粉(chasmogamous flower);另一种花则经常是自花自交-闭花结实(cleistogamous flower)。前一种花通过异花传粉保障了后代的遗传多样性;但是,极端环境下昆虫缺乏,不能保证这种花能正常授粉和结实。而后一种花则是在任何环境下都能自交结实、产生后代。同一植株具有两种花,提供了遗传多样性和繁殖保障的双重特性,是植物适应极端环境极富特色的生态创新性状。二型花广泛分布于228属和50科中的693个被子植物中,并且独立进化了至少41次,主要出现在分布在极端环境的植物中。然而,对于二型花如何分化和维持分化的机制仍不明晰。

异型株(又名四数獐牙菜,Sinoswertia tetraptera)是龙胆科草本植物,主要分布于青藏高原地区,具有典型的二型花,并且随着环境的改变,二型花也转变为只发育一种花,形成同一种内具有不花组合的异型植株。因此,异型株物种同一植株的两种花,如何分化和维持,为理解这一特殊的生态学性状提供了不可多得的研究材料。

近日,兰州大学生态学院刘建全教授团队以异型株物种同一植株、具有完全相同基因型的两种花为对象,采用多种数据解析了这种二型花差异形成和维持的机制,相关结果以Multi‐omics reveal differentiation and maintenance of dimorphic flowers in an alpine plant on the Qinghai‐Tibet Plateau为题发表在的Molecular Ecology上。

在该研究中,研究人员检查了大、小两种花的花瓣成分组成,发现它们在花瓣颜色以及龙胆科特殊次生代谢产物方面存在较大差异。开放可异花传粉的大花,颜色鲜艳,含有较多的类胡萝卜素等着色代谢物;而自花传粉的小花,则含有较高的龙胆科特有环烯醚萜类物质,这类物质可防止小花被寄生昆虫啃食。二者在植物激素含量方面也存在较大的差异。通过检查大小花的基因表达,研究者建立起了基因和各自代谢产物的花发育发育调控网络,发现多方面的基因表达差异导致了二型花的分化和差异维持。特别是通过对这些基因的来源进行进行了构建,发现该物种进化历史上的两次基因组加倍产生的基因,都参与了这一重要的生态性状创新。

该研究从次级代谢物和基因层次多角度阐述了二型花形态差异和维持的调控机制,且发现了植物对于代谢产物在二型花上的权衡投资策略,导致二型花生态性状的起源。


刘建全教授为通讯作者,其实验室硕士研究生朱铭佳为第一作者,硕士研究生王祯悦为共同第一作者。研究得到了中国科学院战略性先导科技专项(B类)、青藏高原二次科考和国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接:

http://doi.org/10.1111/mec.16449

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