紫花地丁等堇菜属植物中 APETALA3 同源基因表达变化与花发育研究

为探究堇菜属植物两型花发育机制，研究人员对比三种堇菜 AP3 同源基因，发现其表达变化与 CH/CL 花形成有关，为相关研究提供依据

　　在神奇的植物世界里，有一些植物就像拥有 “变身魔法” 一样，能在不同环境下开出不同类型的花。堇菜属（Viola）植物便是如此，它们可以产生潜在异交的开花受精（chasmogamous，CH）花和专性自花授粉的闭花受精（cleistogamous，CL）花 。CH 花有着鲜艳的花瓣和蜜腺，开放时欢迎着蜜蜂等昆虫来传播花粉；CL 花则 “低调” 许多，花瓣退化甚至缺失，始终闭合进行自花受精。

这种混合交配系统对植物的生存和繁衍意义重大。CH 花促进了异交和种群间的基因流动，让植物后代拥有丰富的遗传多样性，更好地适应不断变化的环境；CL 花在资源利用上更具优势，能在恶劣环境下节省能量，保证植物的种子生产。

然而，这背后的分子机制却一直是个谜。APETALA3（AP3）作为调控花器官发育的关键基因，在花瓣和雄蕊的身份确定与发育过程中扮演着重要角色。在堇菜属植物中，光周期对 CH 花和 CL 花的发育影响显著，但 AP3 基因在其中的作用尚不明确。

为了揭开这个谜团，西北师范大学生命科学学院的研究人员开展了一项深入研究。他们以紫花地丁（Viola philippica）、早开堇菜（V. prionantha）和角堇（V. cornuta）为研究对象，通过一系列实验，对 AP3 同源基因进行了全面分析。研究成果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是基因克隆与测序技术，获取 AP3 同源基因的开放阅读框（ORF）、基因组 DNA（gDNA）和启动子序列；其次是实时荧光定量聚合酶链反应（qRT-PCR），用于检测基因表达水平；还有酵母双杂交（Y2H）和双分子荧光互补（BiFC）实验，来研究蛋白质之间的相互作用；另外，通过原位杂交技术分析基因在花发育过程中的时空表达模式；最后，利用生物信息学方法预测启动子中的顺式作用元件。

研究结果如下：

• 花形态观察：紫花地丁和早开堇菜在不同光周期下可发育出 CH 花和 CL 花，10 - 12 小时光照诱导 CH 花，16 小时光照诱导 CL 花，12 小时光照偶尔还会出现中间型 CL 花（inCL 花） 。角堇在短日照（≤10 小时）下几乎不开花，在 12 - 16 小时光照下只发育 CH 花。CH 花有 5 个大而艳丽的花瓣和 5 个雄蕊，CL 花的雄蕊和花瓣则发育不全12。
• AP3 同源基因测序分析：获得了紫花地丁、早开堇菜和角堇的 AP3 同源基因序列，其开放阅读框长度分别为 696bp、696bp 和 693bp，编码 231、231 和 230 个氨基酸。系统发育树和多序列比对显示，这些基因高度保守，属于 AP3 同源基因3。
• B - 类 MADS - box 转录因子的异源二聚化：通过 Y2H 和 BiFC 实验证明，堇菜属植物的 B - 类 MADS 结构域蛋白能形成 AP3 - PI、TM6 - PI 和 AP3 - TM6 异源二聚体，不存在同源二聚体，表明这些蛋白功能保守4。
• AP3 同源基因的表达水平与光周期的关系：qRT-PCR 结果显示，紫花地丁和早开堇菜中，VphAP3 和 VprAP3 在 12 小时光照下 CH 花芽中的表达显著高于 16 小时光照下 CL 花芽，尤其是在 F1 - F3 阶段；角堇的 VcoAP3 在 12 小时和 16 小时光照下 CH 花芽中的表达无明显差异。这表明 VphAP3 和 VprAP3 的表达受光周期调控，与 CH 和 CL 花的形成相关5。
• AP3 基因在花发育过程中的时空表达：原位杂交表明，VphAP3、VprAP3 和 VcoAP3 在花发育过程中持续表达，主要分布在花瓣、雄蕊和心皮中。在 CL 花中，AP3 表达下调，可能导致花瓣和雄蕊发育受抑制6。
• 启动子差异分析：对比三种堇菜 AP3 同源基因的启动子序列，发现它们可分为保守区和可变区。顺式作用元件预测显示，与光响应相关的元件在不同基因启动子中的分布存在差异，这可能是基因表达差异的原因7。

研究结论和讨论部分指出，堇菜属植物中 AP3 同源基因序列和 AP3 - PI 异源二聚化高度保守，但光周期诱导的表达差异在 CH - CL 花转变中起重要作用。AP3 同源基因表达下调可能是 CL 花花瓣和雄蕊发育抑制的原因。启动子区域顺式作用元件的差异以及内含子的变化，可能影响了基因对光周期的响应。此外，AP3 与其他 B - 类基因（如 PI 和 TM6）共同参与调控堇菜属植物的 CH - CL 花转变。

这项研究为深入理解堇菜属植物环境依赖型交配系统的发育进化提供了重要的分子基础，有助于进一步揭示植物花发育的奥秘，也为植物遗传育种和生态适应性研究提供了新的思路和理论依据。<在植物的奇妙世界中，堇菜属植物展现出独特的花发育现象，它们能在不同环境下产生两种类型的花 ——>

APETALA3（AP3）基因作为调控花器官发育的关键因子，其在堇菜属植物花发育过程中的具体作用尚不明确。为了解开这一谜团，西北师范大学的研究人员开展了深入研究。

研究人员采用了多种技术手段。通过基因克隆技术获取 AP3 同源基因序列，利用实时荧光定量 PCR（qRT-PCR）检测基因表达水平，借助酵母双杂交（Y2H）和双分子荧光互补（BiFC）技术探究蛋白间相互作用，运用 RNA 原位杂交技术分析基因时空表达模式，还使用启动子预测工具分析基因启动子区域的顺式作用元件。

研究结果显示，堇菜属植物的花形态在不同光周期下差异显著。紫花地丁和早开堇菜在短日照和中间日照条件下形成 CH 花，长日照下形成 CL 花，偶尔还会出现中间型闭花受精（inCL）花；角堇则在长日照下只产生 CH 花，短日照下几乎不开花。

在基因层面，AP3 同源基因序列高度保守。系统发育分析表明，这些基因编码的蛋白与已知的 AP3-like 蛋白聚类，且都具有 euAP3 基序。同时，堇菜属植物的 B 类 MADS-box 蛋白能形成稳定的异源二聚体，如 AP3-PI、TM6-PI 和 AP3-TM6 ，但未检测到同源二聚体。

关于基因表达，紫花地丁和早开堇菜中，VphAP3 和 VprAP3 在 CH 花芽中的表达量明显高于 CL 花芽，且这种差异在光周期变化时尤为显著；角堇的 VcoAP3 表达则不受光周期影响。RNA 原位杂交结果显示，AP3 基因主要在花瓣、雄蕊和心皮中表达，且在 CL 花发育过程中表达量下降。

进一步分析发现，AP3 同源基因启动子区域存在差异。不同堇菜的启动子可分为保守区和可变区，其中与光响应相关的顺式作用元件分布不同，这可能是导致基因表达差异的重要原因。

研究结论表明，AP3 基因表达变化与堇菜属植物的 CH-CL 花发育密切相关。长日照下 AP3 基因的下调可能抑制花瓣和雄蕊发育，从而诱导 CL 花形成。启动子区域的差异以及顺式作用元件的不同分布，共同影响了 AP3 基因对光周期的响应。该研究为理解植物环境依赖型交配系统的发育进化提供了关键的分子依据，对植物花发育机制的研究具有重要意义，也为后续植物遗传育种和生态适应性研究奠定了理论基础。