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来自中科院植物研究所，陕西师范大学等出的研究人员解答了关于AP3-3基因与花瓣缺失之间关联的争论，指出这一基因的沉默虽然与花瓣缺失有关，但是并不是导致野生无花瓣植物缺失花瓣的原因。这一研究成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

　　

生物通报道：来自中科院植物研究所，陕西师范大学等出的研究人员发表了题为“Disruption of the petal identity gene APETALA3-3 is highly correlated with loss of petals within the buttercup family (Ranunculaceae)”的文章，解答了关于AP3-3基因与花瓣缺失之间关联的争论，指出这一基因的沉默虽然与花瓣缺失有关，但是并不是导致野生无花瓣植物缺失花瓣的原因。这一研究成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

文章的通讯作者是植物研究所孔宏智研究员，和陕西师范大学的任毅教授，孔宏智研究员主要从事被子植物花的进化发育遗传学、核基因家族和调控网络的进化以及植物系统发育和分子生物地理学研究。任毅教授主要从事系统与进化植物学、秦岭大熊猫栖息地植物及秦巴山区和黄土高原地区药用植物区系三方面的教学和科研工作。这研究得到了国家科技部和国家自然科学基金委项目的资助。

花瓣通常是花中最显眼的器官，具有吸引传粉者的功能。但是，在有些被子植物中，花瓣是不存在的，形成了无瓣花。导致花瓣缺失的原因尚不清楚，但在毛茛科被认为与一个基因（即APETALA3-3，简称AP3-3）的“不表达”有关。然而，由于只关注了少数几个物种，前人的研究还存在一些问题，如：花瓣的缺失是否真的与AP3-3的“不表达”相关？如果是，导致AP3-3“不表达”的原因是什么？AP3-3的“不表达”究竟是不是导致花瓣缺失的原因？

针对上述问题，研究人员对更多的毛茛科植物开展了研究。研究发现，在毛茛科中，花瓣的多次丢失是平行进化的结果，且的确与AP3-3基因的“不表达”密切相关。

研究还发现，导致AP3-3“不表达”的原因在不同的分支中是不同的：在大马士革黑种草（Nigella damascena）的一个无花瓣园艺品种中，一个转座子的插入导致了该基因的完全沉默以及花瓣向花萼的同源异型转变；在野生的瓣蕊唐松草（Thalictrum petaloideum）中，该基因已经完全丢失；在铁破锣（Beesia calthifolia）和拟扁果草（Enemion raddeanum）中，发生在编码区和调控区的碱基缺失使得该基因不能正常表达；在铁线莲属（Clematis）中，该基因具有假基因的特征，表达量极低。

这些结果表明，AP3-3是毛茛科中控制花瓣发育的关键基因，但在不同的分支中以不同的方式被沉默或者下调。同时，尽管AP3-3的沉默的确能够导致花瓣的缺失，但它在野生无花瓣物种中的结构缺陷和表达量下降并不是导致花瓣缺失的原因，而可能是其结果。

这项研究澄清了花瓣缺失与AP3-3基因表达之间的关系，也为阐明花瓣在毛茛科及其他类群中多次丢失的分子机制问题奠定了基础。

原文摘要：

Disruption of the petal identity gene APETALA3-3 is highly correlated with loss of petals within the buttercup family (Ranunculaceae).

Absence of petals, or being apetalous, is usually one of the most important features that characterizes a group of flowering plants at high taxonomic ranks (i.e., family and above). The apetalous condition, however, appears to be the result of parallel or convergent evolution with unknown genetic causes. Here we show that within the buttercup family (Ranunculaceae), apetalous genera in at least seven different lineages were all derived from petalous ancestors, indicative of parallel petal losses. We also show that independent petal losses within this family were strongly associated with decreased or eliminated expression of a single floral organ identity gene, APETALA3-3 (AP3-3), apparently owing to species-specific molecular lesions. In an apetalous mutant of Nigella, insertion of a transposable element into the second intron has led to silencing of the gene and transformation of petals into sepals. In several naturally occurring apetalous genera, such as Thalictrum, Beesia, and Enemion, the gene has either been lost altogether or disrupted by deletions in coding or regulatory regions. In Clematis, a large genus in which petalous species evolved secondarily from apetalous ones, the gene exhibits hallmarks of a pseudogene. These results suggest that, as a petal identity gene, AP3-3 has been silenced or down-regulated by different mechanisms in different evolutionary lineages. This also suggests that petal identity did not evolve many times independently across the Ranunculaceae but was lost in numerous instances. The genetic mechanisms underlying the independent petal losses, however, may be complex, with disruption of AP3-3 being either cause or effect.

作者简介：

孔宏智，男，博士，研究员，博士生导师。
1995年毕业于西北大学生物系，2000年在中国科学院植物研究所获得博士学位并留所工作。2002年4月至2004年10月在美国宾夕法尼亚州立大学进行合作研究。主要从事被子植物花的进化发育遗传学、核基因家族和调控网络的进化以及植物系统发育和分子生物地理学研究。对被子植物花部结构的多样性有较为深入的了解，熟悉花的发育和核基因家族的进化。主持了国家自然科学基金之青年基金项目“金粟兰科的系统发育和分子生物地理学研究”、主任基金项目“被子植物中最简单的花的发育与进化”、面上基金项目“金粟兰中5个MADS-box基因的功能与进化研究”和重点基金项目“基部真双子叶植物中A、B、C和E类MADS-box基因的进化”。以第一、并列第一或通讯作者在 Molecular Biology and Evolution、Plant Physiology、The Plant Journal、Genetics、Molecular Phylogenetics and Evolution、American Journal of Botany、Plant Systematics and Evolution、Botanical Journal of the Linnean Society、《植物学报》和《植物分类学报》等刊物上发表论文十余篇。 　


任毅，教授、博士生导师。1982年8月毕业于兰州大学生物系，获理学学士学位；1987年7月毕业于西北大学植物学专业，获理学硕士学位；1993年9月至1996年7月，在西北大学攻读博士研究生，获理学博士学位；1993年11月晋升副教授；1998年11月晋升教授；2000年被遴选为博士生导师。

主要从事系统与进化植物学、秦岭大熊猫栖息地植物及秦巴山区和黄土高原地区药用植物区系三方面的教学和科研工作。先后在《Annals of Botany》、《Botanical Journal of the Linnean Society》、《International Journal of Plant Sciences》、《Plant Systematics and Evolution》、《Journal of Integrative Plant Biology》、《Annal of Forest Science》、《植物分类学报》、《植物学报》等学术刊物上发表论文80余篇，主编或参编学术专著5部、教材1部。目前主持国家自然科学基金1项，陕西省林业科研项目1项，曾主持973项目的专题1项，国家自然科学基金3项及陕西省教育厅重点项目和各种横向课题10余项。近年来获得陕西省科技进步三等奖2项、陕西省林业厅科技进步奖2项。

现担任国家林业局大熊猫保护管理咨询专家委员会委员，《Journal of Systematics and Evolution》副主编、《植物学报》编委、《陕西师范大学学报》（自然科学版）编委、《陕西环境》编委；陕西省植物学会常务理事；世界自然保护联盟（IUCN）物种生存委员会（SSC）中国植物专家组（CPSG）成员。