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钟晋顺/孔凡江团队综述：禾本科和豆科复合型花序结构遗传调控机制的新观点

花匠小妙招
2024-12-10 19:47

原创 Cell Press CellPress细胞科学收录于话题#细胞出版社Trends综述 132 个 #Trends in Plant Science 1 个

生命科学

Life science

禾本科和豆科（谷类和豆类）植物，包括玉米、小麦、水稻、大豆、菜豆等作物，一定程度上孕育了人类现代文明，为人类的生存和发展提供重要的物质基础。而花序结构，尤其是分枝结构，直接影响作物产量和适应度。谷类和豆类植物的复合型花序发育是研究器官形态建成不可替代的理想模式，且解析花序的精细调控将为谷类和豆类作物精准分子设计育种提供重要的理论基础和靶标。

来自华南农业大学生命科学学院的钟晋顺教授和广州大学生命科学学院孔凡江教授在 Cell Press细胞出版社旗下的Trends in Plant Science期刊发表综述，系统地总结了禾本科和豆科复合型花序结构遗传调控的分子机制，提出了有花植物进化中复合型花序结构调控的新观点及重要的遗传调控网络。

花序结构是研究生物复杂结构进化的理想模型

花序结构直接影响作物的产量和植物的适应度，同时也是植物发育和进化研究的理想模型。在很多有花植物中，如拟南芥，花序的基本组成单元是单朵花，这种简单花序可以理解为一朵朵花不断地重复而构成。与之不同，谷类和豆类作物类群植物的花序结构为复合型，即花序的基本单元不是单朵花，而是特化的小花序（如：禾本科小穗spikelets，大戟科的杯花cyathia，和豆科次级花序单元secondary inflorescences等）。禾本科和豆科植物具有重要的农业和生态价值。因此，如何理解复合型花序的建成对于生物发育和进化研究具有重要的意义，同时也将为谷类和豆类作物的分子设计育种等提供有益的指导意见。

▲Fig. 1谷物和豆类植物形成复合型花序结构

复合型的组成单元的镶嵌式组合是花序复杂化的重要进化途径

他们认为，特化的花序类结构不能简单地解释成分枝的形成，因为其本身可以作为复杂花序中的基本重复单元 – 即这种特化的花序类结构其实可以理解为复合型的基本单元，其自我重复与简单花序中单朵花的自我复制在花序构成上是类似的。同理，这种特化的花序类结构也可以簇生，形成更高阶的基本重复单元，比如在玉米及其亲缘类群中的小穗对（spikelet pairs），以及大麦属中的三小穗（triple spikelets）。因此，这种复合型的花序类基本单元可以不断自我重复，或者进一步簇生形成更高阶的重复单元，进而促成花序的复杂性和导致复合型花序的发生。

▲Fig. 2. 复合型花序顶端分生组织的分子遗传调控

复合型花序的复合型基本单元具有模块性、稳健性和可进化性

为了支持他们提出的假说，他们从三个方面阐述复合型花序的复合型基本组成单元的模块性、稳健性和可进化性。具体来讲，他们指出（1）确定性复合型花序顶端形成一个特化花序（即禾本科小穗和豆科次级花序结构）（Fig. 1）；（2）与单朵花遗传调控类似，花序类结构受一系列身份基因（identity gene）的调控，并且在禾本科和豆科中，具有高度的保守性–特别是TFL1-AP1/FUL/AGL79-AP2模块具有高度保守的功能（虽然具有类群特异性，比如利用类群特异的旁系基因paralogs）（Fig. 2）；（3）复合型基本单元的可进化性，即特化的小花序本身也具有一定的变异性，而这种变异的调控与花序分枝调控不同，具有不同的机理。同时类群间的花序基本模块的调控机制也不尽相同，具有极大的类群特异性 – 即增加另一个层次的花序复杂性（Fig. 4）。

▲Fig. 4. 复合型花序基本单元的遗传调控和变异

论文作者介绍

钟晋顺

教授

钟晋顺教授，华南农业大学生命科学学院教授，博士生导师。近年来主要从事禾本科和豆科植物的花序结构、茎端分生组织细胞命运抉择、环境适应等相关农艺性状的进化、遗传和发育生物学研究。在博士和博士后期间获得美国自然科学基金博士项目和德国洪堡基金等项目，并以（共同）第一作者或通讯作者身份在PNAS（2篇）、Trends in Plant Science、New Phytologist（3篇）等期刊发表论文10篇。受邀为The Plant Cell、Science Advances、Molecular Biology and Evolution、The New Phytologist、Plant Physiology等期刊审稿。

孔凡江

教授

孔凡江教授，男，二级教授，博士生导师，分子遗传与进化创新研究中心副主任，国家自然科学杰出青年基金获得者，黑龙江省杰出青年基金获得者，获得广州市高层次人才杰出专家荣誉称号，第十五届广东省丁颖科技奖，日本农艺化学会优秀会员奖等奖项。主要从事控制大豆重要农艺性状的基因发掘和调控网络和大豆分子设计育种研究。克隆了一系列控制大豆适应性和产量性状的重要基因，阐明了光周期调控大豆开花的分子机制，证明了光周期适应性基因在驯化与变异过程中的选择规律和提高大豆适应性与产量的重要机制。以通讯作者身份在Nature Genetics（2篇）、PNAS、Nature Communications, Current Biology、Trends in Plant Science等国际著名期刊发表论文70多篇。主持国家自然科学杰出青年基金、国家重点研发计划重点专项、国家自然科学基金面上项目、中国科学院战略性先导专项、黑龙江省杰出青年基金等。