植物發(fā)育生物學(xué)與植物生物技術(shù)(二)+Mar2013

花型發(fā)育分子機(jī)理研究

與大豆花型的分子設(shè)計(jì)

花的形狀：重要的農(nóng)藝性狀問題：雌雄蕊被龍骨瓣嚴(yán)密包裹，導(dǎo)致自交。解決方案：利用分子生物學(xué)技術(shù)，改變大豆花的形狀在大豆中改變花型與雜交大豆育種植物花發(fā)育中存在著兩個(gè)互為獨(dú)立的發(fā)育軸向：輻射軸與背腹軸植物花型發(fā)育的分子機(jī)理研究突破性的工作始于遺傳學(xué)分析，大規(guī)模篩選突變體：尋找改變花形的突變體，鑒別調(diào)控花型發(fā)育分子途徑的關(guān)鍵基因。cyccyc+dichWildtypezygomorphicsemipeloricpeloric金魚草中花型發(fā)育的遺傳學(xué)研究與分子機(jī)理研究依據(jù)對(duì)野生型和突變體的遺傳學(xué)分析，可以得出在金魚草中

Cyc和

Dich基因的功能與花芽D-V軸的建立有關(guān)的結(jié)論。

在野生型中，沿著D-V軸有三類花瓣的發(fā)育：背花瓣、側(cè)花瓣和腹花瓣。Cyc基因突變后，

側(cè)花瓣與腹花瓣的形態(tài)相似；在Cyc和Dich基因雙突變的情況下，只有一種（腹）花瓣形態(tài)的發(fā)育。因此，Cyc和Dich是在花芽中建立背部特征所必需的關(guān)鍵基因。

上，野生型的金魚草花。中，Cyc基因單突變導(dǎo)致的半反常對(duì)稱花。下，Cyc和

Dich兩個(gè)基因雙突變導(dǎo)致的反常對(duì)稱花。金魚草中花型發(fā)育的分子遺傳學(xué)研究。利用轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽法克隆了CYC和DICH兩個(gè)關(guān)鍵的基因，它們同屬于一個(gè)基因家族：TCP功能域基因家族。RNA原位雜交顯示，它們?cè)诨ㄑ恐兄辉诒巢繀^(qū)域表達(dá)，印證了它們的功能與花芽的背部特征有關(guān)，提示它們?cè)谡{(diào)控花型發(fā)育和建立背腹軸的分子途徑中起了重要的作用。TCP基因功能與D-V軸高等植物花的基本形態(tài)和分子機(jī)理在豐富多樣的植物花型中，可以鑒別三種基本的形態(tài)，提示在高等植物基 因組中存在少數(shù)的調(diào)控基因控制了花型的發(fā)育尋找調(diào)控花型發(fā)育、保守的分子途徑用進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)(evodevo)方法研究花型的發(fā)育玄參科金魚草和豆科百脈根的花豆科花型發(fā)育與玄參科金魚草花型發(fā)育的共性兩側(cè)對(duì)稱花都具有背側(cè)腹花瓣的發(fā)育普遍性：在高等植物基因組中，是否存在保守的途徑控制花型的對(duì)稱性發(fā)育？利用同源（保守）的分子途徑，改造花的形態(tài)。

營養(yǎng)期（左）和生殖期（右）植株的結(jié)構(gòu)百脈根花序結(jié)構(gòu)：I1假總狀花序（I2傘形花序）百脈根（Lotusjaponicus）百脈根的不同花瓣（旗瓣，翼瓣和龍骨瓣）在吸引昆蟲傳粉時(shí)，起了不同的作用。通過篩選和克隆調(diào)控基因，研究基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)keeledwing(k)determinestheidentityofwing(1920’s)WT(JI992)k(JI17)lst(JI3021)Lst/k(JI3207)豌豆中影響花型發(fā)育的突變體基于比較基因組的豆科基因圖位克隆技術(shù)。conformationProjectionofthelociintothegenomesofLotus,MedicagoandsoybeanSyntenicregionsAnchorthetargetPhysicalmapComparativegenomicapproach映射鑒別共線性區(qū)域錨定目標(biāo)基因完成物理圖譜驗(yàn)證目標(biāo)基因0.1cMTM0132

2/660TM00211/660TM05500/660TM05210/330TM09342/660TM03046/660TM006010/660LjMOK

TM02507/660TM025721/660TM01684/660TM058812/660TM001810/660MutantsfromF2ofGifuXMG-20

SSRmarkerrecombined

chrs/totalchrs100kbpTM0021TM0930TM0550TM0521NSTM0018TM0060gapgapgapM.truncatulaChr.5partial

L.japonicusChr.2partialBACsCR962124AC140913CT573507CT025844CT963113AC146572CR931737CR962132AC144516CR931736CR931735CU137658

CT963108CT573076

CR962129CT573502CU137660AC137077CR931740gapNot_Orientedgap100kbpCR955008>600kbTM1654TM0934BM1477TM1247TM0304TM0878TM1246建立豆科模式植物改造花型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)基因和利用不同的突變體，對(duì)花型進(jìn)行改造，改變豆科植物的傳粉模式。Fengetal.2006PNAS豆科模式植物百脈根中，LjCYC基因調(diào)控花型的發(fā)育。WTkewsquOx-SQU改變花型與創(chuàng)造大豆新品種大豆葉片稠密，花小而且分散，不易進(jìn)行風(fēng)媒授粉。左圖為大田中成壟的大豆，由于葉片阻擋，不易風(fēng)媒。右圖為單株大豆分散的總狀花序和花朵，不易接受異源花粉。大豆花的分子設(shè)計(jì)：把大豆改為不是大豆！回到蟲媒花！不同品種大豆的花及同一品種大豆同一植株的花之間的對(duì)比。對(duì)花序的設(shè)計(jì)野生型大豆重新設(shè)計(jì)的大豆百脈根Lotusjaponicus（豆科模式植物）

植物花的形態(tài)通常與植物的花粉傳播方式有關(guān)。百脈根花的龍骨瓣緊密包裹雌雄蕊，導(dǎo)致自交；但兩側(cè)對(duì)稱花可以吸引蜜蜂，由蜜蜂完成異花授粉。大豆花的傳粉昆蟲低效的訪花行為大豆蜜蜂切葉蜂百脈根蜜蜂大豆花型導(dǎo)致蜜蜂訪花效率低的兩個(gè)主要原因

：1，雌雄蕊被龍骨瓣緊密包裹；2，大豆花與蜜蜂體型相比偏小。大豆花型的分子設(shè)計(jì)野生大豆本身是蟲媒花在豆科花型發(fā)育分子機(jī)理研究基礎(chǔ)上，克隆決定花型（器官形狀和大?。╆P(guān)鍵基因，利用轉(zhuǎn)基因改變大豆花型，為創(chuàng)造與傳粉昆蟲配合的轉(zhuǎn)基因大豆花和進(jìn)行大豆雜種優(yōu)勢利用的分子設(shè)計(jì)育種奠定基礎(chǔ)。對(duì)器官的大小和形狀進(jìn)行調(diào)控，也為作物和園藝植物的分子設(shè)計(jì)育種提供新的生物技術(shù)手段。問題驅(qū)動(dòng)的科學(xué)研究豆科花型發(fā)育的特殊性和決定花型發(fā)育的新途徑兩側(cè)對(duì)稱花具有不同的類型，提示兩側(cè)對(duì)稱花具有可以分解的對(duì)稱性機(jī)制：花的對(duì)稱性(D-V)

花器官的對(duì)稱性(IN)從普遍性到特殊性從特殊性到普遍性：在高等植物基因組中，是否存在不同的途徑控制不同的對(duì)稱性？（尋找新的分子途徑）在兩側(cè)對(duì)稱花發(fā)育過程中，不同的對(duì)稱性是如何被偶聯(lián)在一起？（基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)）調(diào)控花型發(fā)育分子途徑的生物化學(xué)性質(zhì)在豌豆中鑒別調(diào)控花型發(fā)育的新基因突變體syp1只影響花瓣的對(duì)稱性，但不影響花瓣的背腹屬性

在豆科基因組中存在兩類控制花型發(fā)育的基因(兩個(gè)獨(dú)立的分子途徑)WTcyc:dichcycTCPMybZygomorphyTCPSYPZygomorphyLjCYC1LjCYC2KEW花型發(fā)育MOK1MOK2ELE1REBSYP1ELE2克隆豆科調(diào)控器官形狀和大小的新基因SYP2LATH/NAO植物生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)

植物生物技術(shù)轉(zhuǎn)化型研究

和植物分子設(shè)計(jì)/生物育種水稻胚乳生物反應(yīng)器在分子農(nóng)業(yè)醫(yī)藥的操作過程基因載體遺傳轉(zhuǎn)化植株再生在種子里表達(dá)規(guī)模化生產(chǎn)加工與儲(chǔ)藏制藥與銷售武漢大學(xué)楊代常教授新型的作物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)攜帶Ep1的秈稻普通的秈稻秈稻水稻直立穗型品種的分子設(shè)計(jì)

粳稻中存在由Ep1等一系列基因位點(diǎn)，控制了穗型的直立性（但也同時(shí)也能控制穗型中的著粒密度等重要農(nóng)藝性狀），把直立性狀從粳稻中引入秈稻，對(duì)改良秈稻品種的產(chǎn)量和抗倒伏性可能有廣泛的應(yīng)用前景。分子設(shè)計(jì)的目標(biāo)：把一個(gè)決定穗型直立性的農(nóng)藝性狀做亞種間的轉(zhuǎn)移，設(shè)計(jì)新一代的秈型雜交水稻華南優(yōu)質(zhì)秈稻核心種質(zhì)體系東秋播

廣秋矮農(nóng)陽矮桂陽矮49桂朝2號(hào)華南15

宋早甲

朝陽早18汕矮選4惠陽珍珠早矮仔占珍珠矮11號(hào)珍汕97珍汕97B珍汕97A轉(zhuǎn)育不育細(xì)胞質(zhì)廣場矮3784廣場13廣場矮4182窄葉青8號(hào)/澄豐陸財(cái)號(hào)

廣陸矮4號(hào)青豐矮青二矮葉青倫特青江二矮

（雞對(duì)倫）闊葉稻

特矮

黃新占華絲占28占長絲占豐青矮豐矮占1號(hào)豐八占豐華占黃華占青農(nóng)矮青六矮1號(hào)三青矮2號(hào)青桂矮5號(hào)青四矮/青二矮(青油占/矮家伙)F3日本晴9311粳秈89全球育種計(jì)劃BC3汕優(yōu)63明恢63（福建謝華安）（江西顏龍安）（特三矮2號(hào)）（1987）（2005）(1967)(1976)(1985)分子設(shè)計(jì)育種的關(guān)鍵技術(shù)：基因組和功能基因組水稻重測序和分子設(shè)計(jì)育種把普通西紅柿改造為富含抗氧化物的保健大米把普通大米改造為金色大米(富含維生素A)高科技花卉分子定向設(shè)計(jì)創(chuàng)新品種

野生型轉(zhuǎn)基因過表達(dá)轉(zhuǎn)基因敲除大豆轉(zhuǎn)基因改造花型、改變傳粉方式，進(jìn)行雜交大豆的分子設(shè)計(jì)金魚草（

Antirrhinummajus）

野生型單基因突變體

雙基因突變體轉(zhuǎn)基因野生型快速的花卉基因功能驗(yàn)證平臺(tái)（100天）夏堇（Toreniafourenieri）百脈根（Lotusjaponicus）人與健康/茶文化和嶺南文化張氏紅山茶張宏達(dá)教授葉創(chuàng)興教授發(fā)現(xiàn)和命名張氏紅山茶和任氏山茶中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院在山茶屬等花卉觀賞植物的系統(tǒng)生物學(xué)研究方面具有悠久的研究歷史與深厚的學(xué)科基礎(chǔ)，近年在向農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面做了很大努力。科研團(tuán)隊(duì)(中大)研究基礎(chǔ)/成果張氏紅山茶(四季開花)山茶屬植物生物產(chǎn)業(yè)的新概念龍井43基因組框架圖和山茶屬植物基因資源的鑒評(píng)---從油茶、茶樹、山茶花種植業(yè)跨越到特殊嘌呤生物堿的藥用野生茶基因資源的開發(fā)利用。張氏紅山茶(四季開花)定向改良花卉植物觀賞性狀為主要目標(biāo)的轉(zhuǎn)化型研究在豆科和蘭科等花卉植物中，開展花卉產(chǎn)業(yè)的生物技術(shù)研究，對(duì)決定花型和花期功能基因進(jìn)行鑒評(píng)與克隆，獲取知識(shí)產(chǎn)權(quán)和基因?qū)＠?，利用基因工程技術(shù)定向培育花新種質(zhì)和新品系。發(fā)掘決定花卉（蘭科/豆科）觀賞性狀的資源基因發(fā)展生物育種和花卉產(chǎn)業(yè)需要的關(guān)鍵共性技術(shù)。

決定花型與花期等重要觀賞性狀的調(diào)控基因花卉/作物的轉(zhuǎn)基因技術(shù)基因/調(diào)控元件專利定向設(shè)計(jì)和培育的新品種（觀賞與藥用資源并重）墨蘭突變體材料(遠(yuǎn)東國蘭提供)墨蘭花被突變體(遠(yuǎn)東國蘭提供)具有健康效應(yīng)的健康食品/花卉AbsorptionDistributionMetabolismExcretion10.020.030.040.00.000.200.400.600.801.00Retentiontime(minutes)Response(μA)PhysiologicalexposureHPLC人口與健康、小康社會(huì)羅漢果MogrosidesⅤ多倍體育種/資源/基礎(chǔ)研究南藥的現(xiàn)代化與人的健康南藥和藥用植物有效成分的分析南藥種植業(yè)現(xiàn)代化和標(biāo)準(zhǔn)化南藥和中醫(yī)藥的現(xiàn)代化和標(biāo)準(zhǔn)化基因組、比較基因組和生物信息學(xué)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)生物學(xué)研究產(chǎn)學(xué)研基地總部植物發(fā)育的分子機(jī)理和轉(zhuǎn)化型研究藥用和花卉資源圃分子標(biāo)記分子設(shè)計(jì)各種組學(xué)的高通量數(shù)據(jù)藥用和花卉的品種選育/種植產(chǎn)業(yè)基因、技術(shù)專利合成生物學(xué)/發(fā)酵基因組數(shù)據(jù)/生物信息學(xué)分析藥用、觀賞和花卉植物文化產(chǎn)業(yè)1.種業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2.品種繁育場3.生產(chǎn)線/藥用植物生產(chǎn)鏈4.農(nóng)場5.扶貧1.制藥工程2.工程菌株3.生產(chǎn)線/藥用植物生產(chǎn)鏈4.新型藥廠1.生物信息學(xué)服