（遗传学专业论文）百脉根花瓣形态发生的发育与进化机制研究.pdf

摘要 百脉根花瓣形态发生的发育与进化机制研究 摘要 蔡志刚( 遗传学) 指导老师：罗达研究员 无论在动物界或是在植物界，生物都有多样形态的器官。这些器官在发育中如何受 到控制以及在进化史上如何产生多样化是生物学研究中的古老问题。植物第二轮花器官 “花瓣”在物种间甚至在同一个物种之内也存在不同形态。这里我们以豆科模式植物百 脉根( l o t u sj a p o n i c u s ) 中花瓣多样形态的建立作为器官形态发生模型，以t c p 基因的 功能分化及其相互关系作为分子进化模型，研究器官形态发生的发育控制机制，并寻求 在器官形态多样性发生中具有普遍意义的分子演化机制( e v o l u t i o n a r yd e v e l o p m e n t a l m e c h a n i s m s ，或e v o d e v o ) 。 百脉根是一典型豆科蝶型花亚科植物，它的花是两侧对称花，具有形态各异的三种 花瓣：旗瓣，翼瓣，龙骨瓣。我们的实验结果表明，百脉根中三个具有亲源关系的t c p 基因l j c y c l ，l j c y c 2 和l j c r c s 以作为选择基因( s e l e c t o rg e n e s ) 的方式共同参与了 旗瓣和翼瓣的形态发育。基因结构分析及它们所编码的蛋白序列的系统进化树分析与已 有的研究结果相吻合：它们来源于同一个t c p 祖先基因；这个t c p 祖先基因经历了在 蝶形花亚科分化前的一次基因复增( g e n ed u p l i c a t i o n ) 以及在蝶形花亚科内的另次复 增。其中l j c y c l 和l j c y c 2 属于后一次复增的两个拷贝，它们都特异在背部花瓣表达。 利用转基因进行过量表达和基因沉默分析，表明它们可能协同控制细胞分裂的速率和细 胞的分化，最终决定背部花瓣形态发生。另一个拷贝厨c y c 3 应该源于蝶形花亚科分化 前的第一次复增，它的表达区域是在背部和腹部花瓣，但在侧部花瓣的表达更为强烈。 正向遗传学分析表明l j c y c 3 的功能与它的表达区域相吻合：它的活性与背部花瓣和侧 部花瓣的发育、以及花瓣侧部属性细胞模式的建立有关，而且很可能是通过控制细胞分 化来完成。 遗传分析还表明i i c y c l l j c y c 2 促进花瓣背部属性建立的功能不依赖于k e w l 的活 性，但是k e w l 的正常表达对于l j c y c l 2 建立完整的背花瓣形态却是不可缺少的；而且， l j c y c l 2 和l j c y c 3 在转录水平具有花瓣组织依赖性的自调控和交互调控的特征。这些 都提示了t c p 祖先基因复增后，其基因家族成员之间建立了严谨的时空表达协调机理。 里壁堡垄塑垄查茎兰塑堡堕兰堂些! ! 苎! 型堑 通过构建遗传嵌台体分析表明l j c y c 2 具备短程信号功能来调控细胞的命运。通过 分别过表达l j c y c 2 蛋白n 端片断和c 端片断，我们也鉴定了n 端( 含t c p 保守结构 域) 对于l j c y c 2 的功能至关重要并且能模拟完整蛋白的效应，而c 端很可能对蛋白起 一个调节作用。这些特性对于l j c y c l 和l j c y c 3 蛋白，甚至其它t c p 蛋白可能也是适 用的。除此之外，l j c y c l 2 的异位表达还影响了花瓣以外一些营养性器官( 如叶片和茎 顶端生长点) 的生长发育，显示其具有一般性调控器官生长的能力。 我们的研究结果对于认识t c p 蛋白的一般性发育调控机理及豆科两侧对称花型的 起源与演化都要重要的启示。我们认为，l j c y c i 2 3 共同的t c p 祖先基因具有调控细 胞行为的能力，因而会被反复招募到决定植物花器官生长发育的分子机制中；在进化上 t c p 祖先基因所经历的基因复增，可以导致基因间相互作用并形成功能有差别的蛋白， 由此衍生出更为复杂的遗传信息，并导致新性状和器官形态多样性的起源。 关键词：发育与进化机制，基因复增，百脉根，花瓣，细胞分裂与分化，白调控与交 互调控，细胞自主性与细胞非自主性 摘要 e v o * d e v om e c h a n i s m so fp e t a lm o r p h o g e n e s i si nl o t u s j a p o n i c u s a b s t r a c t z h i g a n gc a i ( g e n e t i c s ) d i r e c t e db yd r d al u o o r g a nm o r p h o l o g y i sh i 曲l yd i v e r s i f i e di na n i m a la n dp l a n t h o wt oc o n t r o lo r g a nf o r m i nd e v e l o p m e n ta n dh o wt oa c h i e v et h ef o r md i v e r s i t yi ne v o l u t i o na r ea g e o l dq u e s t i o n si n b i o l o g y t h ef l o r a lo r g a n ， p e t n ，d i s p l a y sd i f f e r e n ts h a p e sa n ds i z e sb e t w e e ns p e c i e sa n d e v e nw i t h i nas p e c i e s h e r ei nam o d e ll e g o m e ，l o t u sj a p o n i c u s ，t h r e ek i n d so fp e t a l sw e r e s e r v e da sm o r p h o l o g i c a lm o d e l sa n dt h r e et c pg e n e sa sm o l e c u l m m o d e l st os t u d y d e v e l o p m e n t a lm e c h a n i s m so fo r g a nm o r p h o g e n e s i sa n dt h ee v o l u t i o n a r ym e c h a n i s m sa b o u t o r g a nd i v e r s i t yd r i v e nb yg e n ed u p l i c a t i o n ( e v o d e v om e c h a n i s m s ) l o r e sj a p o n i c u si sar e p r e s e n t a t i v em e m b e ro fp a p i l i o n o i dl e g u m e sw i t hz y g o m o r p h i e f l o w e r st h a th a v et h r e ed i s t i n c tt y p e so fp e t a li nm o r p h o l o g y ( w h i c hi st h o u g h tt oa d a p tt o b i l a t e r a lp o l l i n a t o r ss u c ha si n s e c t s ) ：s t a n d a r d ( d o r s a lp e t a l ) ，w i n g ( 1 a t e r a lp e t a l ) a n dk e e l ( v e n t r a lp e t a l ) o u rr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h r e ec l o s er e l a t i v et c pg e n e s ，髟c y c l ，鸟c y c 2 a n d l j c r c 3 ，a c tt o g e t h e rt od e s i g nd o r s a la n dl a t e r a lp e t a l sa ss e l e c t o rg e n e s 。g e n es t r u c t u r e a n a l y s i so f t h e ma n dp h y l o g e n i ca n a l y s i so f t h ee n c o d e dp r o t e i ns e q u e n c e sa r ec o n s i s t e n tw i t h t h ep r e v i o u sc o n c l u s i o n st h a tt h e yw e r eo r i g i n a t e df r o mac o i n n l o nt c pa n c e s t o rb yg e n e d u p l i c a t i o n s ；a n dt h a tt h ef i r s tg e n ed u p l i c a t i o nh a p p e n e db e f o r ep a p j l i o n o i d e a eo r i g i n a t e d a n dt h es e c o n dh a p p e nw i t h i np a p i l i o n o i d e a e l j c y c ia n dl j c y c 2w e r er e s u l t e df r o mt h e s e c o n dd u p l i c a t i o na n da r es p e c i f i c a l l ye x p r e s s e di nd o r s a lp e t a l f u r t h e r m o r e ，g a i na n dl o s s o ff u n c t i o na n a l y s i sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e yc o n t r o lt h ed o r s a lp e t a lm o r p h o g e n e s i st h r o u 曲 p r o m o t i n gc e l ld i v i s i o na n dc e l ld i f f e r e n t i a t i o n i nc o n t r a s t ，巧c y c 3i se x p r e s s e di nd o r s a la n d l a t e r a lp e t a la n dd e t e r m i n et h el a t e r a li d e n t i t ym a i n l yt h r o u g h p r o m o t i n gc e l ld i f f e r e n t i a t i o n g e n e t i ca n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h ea c t i v i t yo fk e w li sn o tn e c e s s a r yf o rb u tg r e a t l y e n h a n c e sd o r s a li d e n t i t y - p r o m o t i n gf u n c t i o no fl j c y c lo r 巧c y c 2 a d d i t i o n a l l y , w ea l s o o b s e r v e dt h a tl j c y c l 2 3h a ds e l f - r e g u l a t i o na n dc r o s s - r e g u l a t i o n ( b e t w e e nt h e m ) f u n c t i o ni n ap e t a lt i s s u e d e p e n d e n tl n a n r l e r t h e s er e s u l t si m p l yt h a ta ne l e g a n ts y n e r g i ci n t e r a c t i o n b e t w e e nt h eg e n em e m b e r sh a db e e na c h i e v e dt op r o m i s ea l le l a b o r a t e dd e v e l o p m e n t a l i l l 百脉根托瓣彤态发生的发育岛进化机制研究 p r o c e s si no r g a nm o r p h o g e n e s i sa f t e rg e n ed u p l i c a t i o n s g e n e t i cm o s a i ca n a l y s i ss u g g e s t e di na d d i t i o nt oc e i l - a u t o n o m o u sf u n c t i o n ，l j c y c 2a l s o h a sn o n c e l l a u t o n o m o u sf u n c t i o na n dm a ya c ta sas h o r t r a n g es i g n a lt oi n f l u e n c en e a r b yc e l l b e h a v i o r sa l t h o u 曲l j c y c 2p r o t e i ns e e r r l sn o tt ot r a g i cb e t w e e nc e l l s ，l j c y c 2p r o t e i n t r u n c a t i o na n a l y s i ss u g g e s t e dt h a tn - t e r m i n a la n dc - t e r m i n a lo fl j c y c 2h a dd i f f e r e n tr o l e s ： n t e r m i n a l ( t c pd o m a i ni n c l u d e d ) i sn e c e s s a r ya n dc r i t i c a l f o rl j c y c 2f u n c t i o na n d c - t e m a i n a lp e r h a p sp l a y sar e g u l a t o r yr o l e t h e s ep r o t e i np r o p e r t i e sa r el i k e l ys h a r e db y 巧c y e la n dl j c y c 3 ，a n de v e no t h e rt c pp r o t e i n st o o ，m o r e o v e r , e c t o p i ce x p r e s s i o no f 句c y c i 2a l s oi n f l u e n c e dv e g e t a t i v eo r g a ng r o w t h ( e g 1 e a f l e t so rs h o o ta p i c a lm e r i s t e m ) s u g g e s t i n gt h e yc o u l dg e n e r a l l yr e g u l a t eo r g a ng r o w t h 。 o u rr e s u l t sh a v ei m p o r t a n ti n d i c a t i o n so ng e n e r a ld e v e l o p m e n t a im e c h a n i s m sb yw h i c h t c pg e n e sr e g u l a t eo r g a ng r o w t ha n dc e l lb e h a v i o r s ，a n do no r i g i no ff l o r a la s y m m e t r ya n d d i v e r s i f i c a t i o no fp e t a lm o r p h o l o 西e si nl e g u m e ，a t t de v e ni no t h e rf l o w e r i n gp l a n t s 。w e s u s p e c tac o m m o na n c i e n tm l c e s t o ro f l j c y c l 2 3w h oc o u l dg e n e r a l l yc o n t r o lc e l tb e h a v i o r s i no r g a nd e v e l o p m e n ta n dt h u sw e r er e c r u i t e dr e p e a t e d l yt om o d i f yo r g a ng r o w t ha n do r g a n m o r p h o l o g yi ne v o l u t i o n 。a d d i t i o n a l t ；t h em e m b e r sg e n e r a t e db yg e n ed u p l i c a t i o ne v o l v e d a l s oa n dh a dd i f f e r e n te x p r e s s i o np a t t e r n sa n dp r o t e i np r o p e r t i e s ，b yw h i c hm o r ec o m p l e x g e n e t i ci n f o r m a t i o nw a ss e l e c t e da n da c c u m u l a t e da n dt h e nm o r ed i v e r s i f i e do r g a np a t t e r n so r t r a i t sw e r ei n n o v a t e dd u r i n ge v o l u t i o n 。 k e yw o r d s ：e v o 。d e v om e c h a n i s m ，g e n ed u p l i c a t i o n ，l o t u sj a p o n i e u s ，p e t a l ，c e i ld i v i s i o n a n dd i f f e r e n t i a t i o n ，s e l f r e g u l a t i o na n dc r o s sr e g u l a t i o n ，c e l la u t o n o m ya n dn o n c e l la u t o n o m y t v 图表目录 一，综述及绪论部分图表： 图1 1 细菌，古细菌和真核三界生物中基因复增状况2 图1 2 对等交换模型和非对等交换模型3 图1 3 基因网络的演化模式6 图1 4 基因复增与模式建成及模式演化8 图1 5 雌因复增对拟南芥腋芽发育精密调节9 图1 6 三种平展器官作为器官尺寸与形状发育控制的研究模型1 2 图】7 构建遗传嵌合体分析的几种实验体系1 4 ，1 5 图】8f 删，纾牛l i k et c p 基因的动态表达模式及其对叶片尺寸与彤状发育的影响1 7 表1 1 动植物中器官尺寸与形状发育调控因子分类，及t c p 基因作为一类特殊的调控成 员i 2 8 图1 9 三类t c p 基因蛋白整体结构及t c p 保守结构域比较2 9 二，材料与方法部分图表： 图2 1 转基因材料的g f p 或o u s 表达鉴定4 6 图2 2 转基因材料融合蛋白表达的w e s t e r n 鉴定4 7 图2 3 转基因材料的外源d n a 的独立插入及插入拷贝数的s o u t h e r n 鉴定4 8 图2 4 通过a u t o c a d 2 0 0 4 软件进行尺寸测量4 9 三，实验结果部分图表： 图3 1l j ( t c l 助，瑾因与蛋白序列分析比较5 l ，5 2 图3 2 彤，伽寸空表达模式分析比较5 4 图3 3l j c y c j 年n l 弦比2 以主调基因方式共同参与背部花瓣形态发育5 7 ，5 8 图3 4 过表达转基因和基因沉默转基因材料中的花瓣梯度表型5 8 图3 5 不同遗传背景中雄蕊联会模式的转变5 9 图3 6l j c y c i 2 自主改变花瓣终极尺寸和细胞尺寸6 l 图3 7l s y c ，尼”的基因表达调控6 4 图3 8 胎，参与背部和侧部花瓣发育6 6 ，6 7 x 图3 ，9 通过构建遗传嵌合体鉴定l j c y c 2 的细胞非自主性功能7 2 ，7 3 图3 1 0l j c y c 2 蛋白的n 端i , c 端分别承担不同的角色- 7 5 图3 1 1 异位表达比臻响地上部分营养性器官的生长发育一- 7 8 图3 1 2 异位表达l j c y c 射其他两个亚族t c p 基因转录表达的影响- 8 0 四，讨论部分图表： 图4 ，】l j c y c i 尼 基因的起源及演化路径图- - 8 4 图4 2t c ? 蛋白作为可能的细胞行为与细胞物质与能量代谢的调控中枢- - 8 5 图4 3l 彤，盔绽间的相互作用及它们对豆科两侧对称花型起源与进化的启示- 9 2 五，附录部分图表： 图5 1l s c y c s 尼力e d n a 序列比对1 0 5 表5 1 百脉根基因组数据库中t c p 基因原始登陆号1 0 6 图5 2l j c i n l 2 3 与c i n t c p 4 蛋白序列比对- 1 0 8 图5 3l j p c f i 3 4 7 与p c f 2 t c p 2 0 蛋白序列比对- - - 1 0 9 x 中科院上海生命科学研究院 研究生学位论文声明 本人郑重声明： 1 ) 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的工作外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 2 ) 所呈交的学位论文，实验结果均由相应的实验数据分析得出，实验数 据真实可靠。 该声明的法律结果由本人承担。 研究生学位论文版权使用授权声明 本人完全了解并同意遵守中科院上海生命科学研究院有关保留、使用学位论 文的规定，即：生科院有权保留送交论文的复印件和电子文件，并提供论文的目 录检索及借阅、查阅；生科院可以公布论文的全部或部分内容，可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制 手段保存和汇编本学位论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名导师签名 增适隰妒铆r r1 ：l l 综述一：基因复增对植物器官模式建成与形态多样化的贡献 生物学中最令人着迷的问题之一就是为什么每个物种各自具有自身所独特的形态结 构，而物种和物种之间又体现出形态结构的相似性和差异性? 通过近3 0 年的基于几种 高等模式生物的发育遗传学研究以及全基因组测序，如动物中的果蝇和小鼠，植物中的 拟南芥和水稻等等，越来越多的证据表明在生物进化过程中基因复增( g e n e d u p l i c a t i o n ， 复增基因，使得基因家族多出一个新成员) ，特别是复增那些编码转录调控因子的发育 调控基因，并在随后几万年乃至几百万年的演化中赋予他们各自不同的功能( g e n e d i v e r s i f i c a t i o n ) ，在高等生物器官的较为复杂的模式建成( p a t t e r nf o r m a t i o n ) 和物种问的 形态多样性( m o r p h o l o g i c a ld i v e r s i t y ) 中扮演着核心的角色。在这篇综述里，我们从三 个方面来讨论近年来在基因复增与植物形态发生和形态进化这个领域的最新研究进展： ( 1 ) 基因序列复增的策略；( 2 ) 基因功能岐化的策略；( 3 ) 基因复增在植物发育中对 器官模式建成和形态进化的贡献。另外，我们还讨论被复增的基因之间可能存在的功能 上的几种相互关系及由此可能涉及到的由于基因复增带来的发育机理( d e v e l o p m e n t a l m e c h a n i s m ) 和进化上的演化路径( e v o l u t i o n a r yc o u r s e ) 这些深层次的问题。 1 基因序列复增的策略( s t r a t e g i e so f g e n es e q u e n e ed u p l i c a t i o n ) 基因复增广泛存在于高等生物的基因组中，并很早生物学家就推测它为进化提供了 丰富的编码遗传信息的原材料。通常在同一个基因组当中，我们能够检测到多个高度相 似拷贝的基因。基因家族包括了所有这些成员，每个成员都含有个或多个保守区域。 几种模式生物的全基因组测序让我们更加精确地知道基因复增多大程度地存在于某一 个物种整个遗传信息库中( i 刳1 1 ：综述z h a n g ，2 0 0 3 ) 。比如在拟南芥全基因组中， m a d s 。b o x 基因家族( m c m l 4 g a m o u s - d e f i e c i e n s - s _ r fb o x ) 有8 2 个成员之多 【a m b i d o p s i sg e n o m ei n i t i a t e ，2 0 0 0 ；r i e c h m a n ne ta 1 ，2 0 0 0 ) 。全基因组序列的统计分析 结果暗示着这些基因有可能分担不同的发育功能，在器官发育和形态进化中扮演精密调 控或其它多种角色。 目前，有以下几种理论模型来解释基因复增可能涉及到的分子机制： 1 1 非对等交换模型 第一个理论模型足由l e w i s 基于果蝇体节发育遗传学而提出的“非对等交换模型” 百脉根花瓣形态发生的发育与进化机制研究 t a b l e1 p r e v a l e n c eo fg e n ed u p f f c a t i o ni na l lt h r e ed o m a i n so f i f e 4 t o t a ln u m b e ro fd u p l i c a t e n u m b e r g e n e s1 o f o fg e n e s d u p l i c a t eg e n e s ) r e f s b a c t e r i a m y c o p l a s m ap n e u m o n i a e 6 7 72 9 9 ( 4 引【6 5 ； h e f i c o b a c t e r p y l o r 1 5 9 0 2 6 6 ( 1 7ji 6 6 l h a e m o p h i l u si n f l u e n z a s 1 7 0 9 2 8 4 ( 1 7 6 7 l a r c h a e a a r c h a e o g f o b u sf u 墙i d u s 2 4 3 6 7 1 9 ( 3 0 f ；8 j e u k a r v a s a c c h a r o t n y c e sc e l l e v s a s 6 2 4 1 1 8 5 8 ( 3 0 ) 6 7j c a e n o r h a b d i t i se l e g a n s1 84 2 48 9 7 1 ( 4 9 【6 7 l d r o s o p h i l am e f a n o g a s t e r 1 36 0 15 5 3 6f 4 1 f 5 7 a r a b i d o p s i st h a l 抽n a 2 54 9 81 65 7 4 【6 5 ) i 6 9 1 h o l i f os a p i e n s4 95 8 0 01 53 4 31 3 8 l l “u s eo fd i f f e r e n tc o m p u t a t i o n a lm e t h o d so rcr i t e r i ar e s u l t si ns l i g h t l yd i f f e r e n t e s t i t r ，e t e so fm et ) u m b e r o fd u p l i c a l e dg e n e s1 1 2 1 叶h am o s tr e s e n te s t i m a t ei s 3 00 0 0 ；6 仆 图11 细菌，古细菌和真核三界生物中基因复增状况( 原图引自z h a n g ，2 0 0 3 ) f l e w i sm o d e l ，或者叫u n e q u a lc r o s s o v e rm o d e l ，幽1f 2 ) 。在_ 【二世纪5 0 至7 0 年代l e w i s 通过对果蝇体节发育突变体的研究和基因定位认为存在一个同源异型基因簇来控制不 同体节的发生( l e w i s ，1 9 7 8 ) 。后来，通过基因克隆证明了这些基因( 即后来命名的 h o m e o b o x 基因，h o x ) 都含有一个编码6 0 个氨基酸的1 8 0 b pd n a 序列的保守片断， 意味者他们来自一个共同的基因祖先( ac o m m o l lg e n ea n c e s t o r ) 。而且，l e w i s 模型还认 为两个成员以上的基因复增在时间上是先后依次发生( t a n d e mg e n ed u p l i c a t i o n ) ，在空 间上它们在染色体上互相紧邻形成一个基因簇( g e n ec l u s t e r ) ，所以这种模型也可称为 基因先后复增模型( t a n d e md u p l i c a t i o nm o d e l ) 。 1 2 基因组复增模型： 第二个理论模型是由o h n o 基于分析海鞘类( a s c i d i a n ) ，文昌鱼类( a m p h i o x u s ) 等 基因组的d n a 含量而提出的基因组复增模型( o h n om o d e l ，或者叫g e n o m ed u p l i c a t i o n m o d e l ) ( o h n o ，】9 7 0 ) 。这个理论对于那些发生过多倍体化的生物是很有说服力的。许多 开花植物都发生过多倍体化，对拟南芥全基因组序列统计分析也发现某些不同的染色体 之间具有结构的相似性，进一步证明了染色体复增或部分染色体复增对于基因数目的增 图12 对等交换模型和非对等交换模型 非对等交换模型( b ) 能够带来基因依次复增，而一般的对等交换模型( a ) 则不能。 加也有贡献f a r a b i d o p s i sg e q o m ei n i t i a t e ，2 0 0 0 ) 。有意思的是，i 二面两种模型最初提出 的时候都是在上世纪8 0 年代以后高等生物基因克隆大潮以及全基因组测序来临之前。 不过在后来的研究中，这些模型也得到了相应的修正( h o l l a n d ，1 9 9 9 ) 。比如，对于h o x 基因簇而言，这些复增出来的基因在空间位置上是一个挨着个的，是可以用“基因先 后复增模型”( t a n d e mg e n ed u p l i c a t i o n ) 进行解释的，但是对于植物控制花器官属性的 m a d s b o x 基因而言，则是分散在不同染色体的不同区域，表明在很多情况下“基因依 次复增”之后还存在一个后续进化过程( 比如染色体重组，转座子插入等) 导致被复增 出来的基因发生空间位置的分割。 j 3 转座子返座子模型 第三种理论，即转座子模型返座子模型( t r a n s p o s o n r e t r o t r a n s p o s o nm o d e l ) ，同样 会参与到新基因的产生上。根据这种理论，新基因的产生可能类似与转座子或返座子复 增，或者是被别的转座子返座子所捕获并加以携带转移，在基因组中通过增加d n a 片 断来增加其拷贝数目。转座子可以产生完整基因的复增，而返座子可能更多参与外显子 增加或置换中。比如j i a n g 等分析水稻的p a c k m u l e 以及m o r g a n t e 等分析玉米的 h i l t o n l i k e 转座予发现这些转座子能被当成基因一样转录，这为可以通过转座子进行基 酉脉根花瓣彤态发生的发育与进化机制研究 因复增的假说提供了初步的证据( j i a n ge t a l ，2 0 0 3 ；m o r g a n t ee l “，2 0 0 5 ) 。 值得注意的是，以上这些模型更多地停留在理论的推测上，有关基因复增的分子生 物学机制需要更多的案例研究，特别是通过实验重建的验证。而且目前通过分析人全基 因组人们发现除上面三种模型之外，还有另外一种新的基因复增方式即d n a 大片断复 增( s e g m e n t a ld u p l i c a t i o n ) ，被复增的目标序列高达几十力- 个碱基对，其分子机理目前 尚不清楚。另外，基因复增发生的时间的预测( t i m i n go fd u p l i c a t i o n ) 也币处在起步阶 段，而且目前只是针对基因组复增发生的时洲预测，大量的具有重要发育调控功能基因 发生复增的时间还没有被估算出来，如控制花对称性发育的c y c d i c h 基因( l u oe ta t ， 1 9 9 6 ；l u oe ta l ，19 9 9 ) 和控制叶平面发育c i n 基因( n a t he t a l ，2 0 0 3 ) ，二者同为t c p b o x ( t b l 一c y c l 0 d e d 中c f b o x ) 基因( c u b a se t a l 1 9 9 7 ) ，并且能调控器官尺寸与形状， 但是他们的分化时间是在什么时候呢? 通过估算他们的分化时间将有助于我们估算 c y c _ 1 i k et c p 基因的起源的时间，以及对称花起源的时间f c u b a s ，2 0 0 4 ) 。将来这些新 领域的研究对于更加清楚认识基因复增的动力学。 2 基因功能岐化的策略( s t r a t e g i e so f g e n ef u n c t i o n a ld i v e r s i f i c a t i o n ) 基因复增事件并不简单停止在复增完全相同的d n a 序列上，它后来的命运如何尚需 进一步分析研究。通常他们中的大部分会变成假基因而从基因组中剔除，但有些却在漫 长的进化中通过突变顺式调控原件或者改变编码序列衍生出新的功能而存活，这里同一 个基因组这些基因之间一般称呼为旁系同源基因( p a r a l o g o u sg e n e s ) ，这个概念用以区 别两物种之间的直系同源基因( o r t h o l o g o u sg e n e s ) 。基因功能岐化对于新的性状的发生 或新物种的发生都是极为重要的，这方面的研究既是发育遗传学家也是进化生物学家的 所关心的热点( 综述c a n o l l ，2 0 0 0 ) ，并由此衍生出一门新的交叉学科“发育进化遗传学” ( e v o l u t i o n a r yd e v e l o p m e n t a lg e n e t i c s ，e v o d e v o t i c s ，通常也叫发育进化生物学， e v o l u t i o n a r yd e v e l o p m e n t nb i o l o g y ，e v o d e v o ) 。这里我们1 司时从宏观进化 ( m a c r o e v o l u t i o n ) 或大尺度种问进化和微观进化( m i c r o e v o l u t i o n ) 或小尺度种问进化 两个层面来讨论回顾近年来基因功能岐化的分子机制。 从理论上讲，以转录调控因子为例，改变一个基因的功能主要有两种不同方式：( 1 ) 通过改变该基因的表达模式从而改变其表达的时空模式或表达剂量；( 2 ) 通过改变其蛋 白序列从而改变生化功能，进而涉及到下游或相互作用的目标因子。研究表明，这两种 d 方式都得到相关实验的验证，表明它们对于基因新功能的衍生以及新形态的发生是同为 重要的。除此之外，研究基因网络在进化上的变化也开始逐渐得到人们的重视。 2 1 通过改变顺式调控元件进行功能岐化 w a n g 等通过仔细比较分别来自玉米( z e am a y ) 和玉米的祖先墨西哥类黍( t e o s i n t e ) 的控制数量性状的主调基因之一z 曾，的d n a 序列多样性发现，编码蛋白质序列的编码区 没有任何改变，而位于编码区上游的顺式调控序列( c i s e l e m e n t ) 则呈现序列的多样性。 比较m r n a 的表达水平表明，这些调控元件序列的多样性能够导致该基因的表达水平在 墨西哥类黍中只有玉米的一半，这意味在玉米的定向选择进化或微观进化中，发育调控 基因的转录调控元件的岐化相对于蛋白质序列的岐化承担着更为重要角色f d o e b l e y 甜 “，1 9 9 7 ；w a n g 甜a 1 ，1 9 9 9 ) 。l u d w i g 等在果蝇中构造e s 2 的增强子( e n h a n c e r ) 嵌合体而 不改变蛋白质序列，通过重建实验( r e c o n s t i t u t i o ne x p e r i m e n t ) 中证明改变增强子的结构 模式能导致原有基因表达模式的变化，作者认为在果蝇体节发育进化中该增强子遭到持 续选择( s t a b l es e l e c t i o n ) ，同时也意味着该增强子的保守或岐化在宏观进化还是微观进 化巾扮演着重要的角色( l e d w i ge la 1 ，2 0 0 0 ) 。更有意思的是，在同一个物种拟南芥中， l e e 等通过构建“启动子编码框”基因表达嵌合体，发现g l l 和w e r 这两个m y b 摹因 在蛋白功能上完全等同，所不同的只是表达模式的差异从而带来发育功能的差异，一个 调控表皮毛发育，一个凋控根毛发育，这表明在同一个物种中发生基因复增之后，通过 基因表达的差异，即调控元件上岐化，就有可能够衍生出新的发育功能，导致新的模式 或新的形态发生( l e ea n ds c h i e f e l b e i n ，2 0 0 1 ) 。这些研究也表明顺式调控元件可以作为 在发育或进化过程中对关键基因进行精密调控( f i n e t u n i n g ) 的有效工具。 2 2 通过改变蛋白序列进行功能岐化 除了对调控元件进行针对性改造外，蛋白质序列个别氨基酸残基的细微改变或结构 域的增减、置换同样扮演着重要的角色。例如在拟南芥中f t 年i 阡l j 是一对同源基因， 但是他们对于开花时间的调控是相互拮抗的：f 珀e 够促进开花，而豫l j 则是抑制开花。 h a n z a w a 等通过比较不同物种的f t 和t f l l 的同源蛋白序列，发现有三个部位的氨基酸残 基可能对于f t t f l l 的功能岐化存在贡献。通过人工构建f t ( y 8 5 h ) 突变体蛋白，作者发 现一个氨基酸残基的替换便足以导致f t 原有的功能发生颠倒( h a n z a w ae t “，2 0 0 5 ) 。 百脉根花瓣形态发生的发育与进化机制研究 m a i z e l 等通过建立拟南芥砂突变体拯救模型( r e s c u e m o d e l ) ，大量比较分别来自苔藓植 物，裸子植物和被子植物中花发育调控基因l f y 之间的生物学功能差异及它们的d n a 结 合能力发现，结合d n a 的蛋白质结构域的置换对于l f y 的功能演化十分重要( m a i z e le l a 1 ，2 0 0 5 ) 。通过比较拟南芥和水稻全两个基因组中所有m a d s b o x 基因，p a r e n i c o v a f , 拿发 现，这些基因发生过多次结构域的获得，丢失或重新组合事件( p a r e