福建農(nóng)林大學(xué)教授吳雙團(tuán)隊(duì)首次解析了番茄通過形成特殊表皮毛，改變花的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變授粉方式的分子機(jī)制。該研究為未來改造植物授粉方式，增加結(jié)實(shí)率和提高植物的逆境適應(yīng)力，以及未來轉(zhuǎn)基因作物的安全控制提供了重要參考。4月4日，相關(guān)研究在《科學(xué)》在線發(fā)表。
花藥鎖扣表皮毛（左）和野生番茄以及現(xiàn)代栽培番茄的花藥形狀（右）。課題組供圖
番茄是茄科植物中少數(shù)由開花授粉轉(zhuǎn)變?yōu)殚]花授粉的園藝植物之一，但目前科研界對(duì)于番茄閉花授粉方式形成的機(jī)制并不完全清楚。
本研究首先發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代栽培番茄的花藥邊緣形成了一類特殊的表皮毛結(jié)構(gòu)，通過相互鉸鏈，形成一個(gè)類似拉鏈的結(jié)構(gòu)，將相鄰的花藥緊緊鎖住，形成密閉的花藥桶結(jié)構(gòu)。通過遺傳篩選，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)控制番茄表皮毛的關(guān)鍵調(diào)控因子發(fā)生負(fù)顯性突變時(shí)，番茄閉花授粉結(jié)構(gòu)被破壞，花藥散開的現(xiàn)象。研究人員進(jìn)一步鑒定到此負(fù)顯性突變影響的多個(gè)關(guān)鍵基因，發(fā)現(xiàn)這些關(guān)鍵基因同屬于一類可以激活下游基因表達(dá)的HD-Zip IV轉(zhuǎn)錄因子。它們不但在番茄花藥鎖扣表皮毛起始細(xì)胞中高表達(dá)，并且通過蛋白濃度劑量效應(yīng)調(diào)控鎖扣表皮毛的起始和核內(nèi)復(fù)制。
有趣的是，這些HD-Zip IV轉(zhuǎn)錄因子同時(shí)也在花柱的頂部區(qū)域高表達(dá)，同樣通過濃度劑量調(diào)控花柱細(xì)胞的核內(nèi)復(fù)制，進(jìn)而促進(jìn)花柱的極性伸長。
在番茄花柱中，研究人員發(fā)現(xiàn)HD-Zip IV轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控花柱長度決定因子Style 2.1的空間表達(dá)。因此推測在番茄進(jìn)化早期，HD-Zip IV轉(zhuǎn)錄因子時(shí)空表達(dá)的改變促進(jìn)番茄花藥形成閉合結(jié)構(gòu)，但同時(shí)也促進(jìn)花柱伸長外露。在這個(gè)階段，由于野生番茄中的自交不親和尚未解除，自花授粉難以發(fā)生，這樣的花結(jié)構(gòu)使得野生番茄仍然能夠通過昆蟲傳粉完成受精和繁殖。當(dāng)自交不親和性狀突變?nèi)笔Ш螅藶轳Z化傾向于篩選具有Style 2.1突變的后代，形成花柱內(nèi)縮,以及花藥桶緊閉的完全閉花授粉結(jié)構(gòu)。
據(jù)悉，福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院博士后吳敏亮、碩士邊欣欣和碩士生黃奔奔為論文共同第一作者，吳雙為論文通訊作者。福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院、未來技術(shù)學(xué)院為論文第一完成單位。
相關(guān)論文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl1982
本文鏈接：科學(xué)家揭示番茄閉花授粉形成機(jī)制http://m.sq15.cn/show-11-4661-0.html
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