植物形态发育和功能基因组学(三) Oct2014

gap
CR962132
AC146572
CR931737 AC144516
CT025844
Not_Oriented
CR962129 CT573076 AC137077 CU137660 CR931740 CT573502
CR931735
CR931736
100kbp
M. truncatula Chr.5 partial
> 600 kb
建立豆科模式植物改造花型的实验系统
豆科模式植物百 脉根中，LjCYC 基因调控花型的 发育。
kew squ WT Ox-SQU
通过转基因和利用不 同的突变体，对花型进 行改造，改变豆科植物 的传粉模式。
Feng et al. 2006 PNAS
问题驱动的科学研究
发现调控花型发育的分子途径
百脉根（Lotus japonicus）
营养期（左）和生殖期（右）植株的结构 百脉根花序结构：I1假总状花序（I2伞形花序）
植物花型发育的 分子机理研究
植物花发育中存在着两个互为独立的发育轴向： 辐射轴与背腹轴
金鱼草中花型发育的遗传学研究与分子机理研究
zygomorphic semipeloric
peloric
Wild type
cyc
cyc + dich
突破性的工作始于遗传学分析，大规模筛选突变体： 寻找改变花形的突变体，鉴别调控花型发育分子途径的关 键基因。
TCP基因功 能与D-V轴
金鱼草中花型发育的分子遗传学研究。利用转座子标签法克隆了CYC 和DICH 两个关键的基因，它们同属于一个基因家族：TCP功能域基因家族。RNA原位杂 交显示，它们在花芽中只在背部区域表达，印证了它们的功能与花芽的背部特征 有关，提示它们在调控花型发育和建立背腹轴的分子途径中起了重要的作用。
籼稻水稻直立穗型品种的分子设计 粳稻中存在由Ep1等一系列基因位点，控制了穗型的直立性 （但也同时也能控制穗型中的着粒密度等重要农艺性状），把 直立性状从粳稻中引入籼稻，对改良籼稻品种的产量和抗倒伏 性可能有广泛的应用前景。
普通的籼稻
携带Ep1 的籼稻
分子设计的目标： 把一个决定 穗型直立性的农 艺性状做亚种间 的转移，设计新 一代的籼型杂交 水稻
KEW
花型 发育
LATH /NAO
MOK1 MOK2
REB ELE1 SYP1
SYP2 ELE2
植物生物技术产业
植物生物技术转化型研究 和植物分子设计/生物育种
水稻胚乳生物反应器在分子农业医药的操作过 程
基因载体
遗传转化
植株再生
在种子里表达
制药与销售
加工与储藏
规模化生产
新型的作物医药产业
武汉大学杨代常教授
张宏达教授 叶创兴教授发现和命名 张氏红山茶和任氏山茶
张氏红山茶
张氏红山茶(四季开花)
Leabharlann Baidu
张氏红山茶(四季开花)
山茶属植物生物产业的新概念 龙井43基因组框架图和山 茶属植物基因资源的鉴评---从 油茶、茶树、山茶花种植业跨 越到特殊嘌呤生物碱的药用野 生茶基因资源的开发利用。
定向改良花卉植物观赏性状为主要目标的转化型研究 在豆科和兰科等花卉植物中，开展花卉产业的生物技 术研究，对决定花型和花期功能基因进行鉴评与克隆，获 取知识产权和基因专利，利用基因工程技术定向培育花新 种质和新品系。发掘决定花卉（兰科 / 豆科）观赏性状的 资源基因发展生物育种和花卉产业需要的关键共性技术。 决定花型与花期等重要观赏性状的调控基因 花卉/作物的转基因技术 基因/调控元件专利 定向设计和培育的新品种 （观赏与药用资源并重）
12
3' 2' 1' 6' 4' 5'
OH
3 2
1
OH
3''
O
2''
1''
O
O
O O O OH O O OH HO OH OH
OH
OH
HO
Lysine N
N CH3
Lysine
OH
南药和中医药的现代 化和标准化
南药种植业现 代化和标准化
花发育的分子机理 和花卉的分子设计
petal development
野生型
野生型
转基因过表达 转基因敲除
大豆转基因改造花型、 改变传粉方式，进行 杂交大豆的分子设计
转基因
快速的花卉基因功能验证平台（100天）
人与健康/茶文化和岭南文化
科研团队(中大)研究基础/成果
中山大学生命科学学院在 山茶属等花卉观赏植物的系 统生物学研究方面具有悠久 的研究历史与深厚的学科基 础，近年在向农业生物技术 产业化方面做了很大努力。
30.0 40.0
Absorption Distribution Metabolism Excretion
南药的现代化与人的健康
罗汉果
MogrosidesⅤ
多倍体育种/资源/基础研究
南药和药用植物有效成分的分析
OH O HO HO
5'' 4'' 6'' 4 10 5 11 6
CH 3 OH
9 7 8
矮仔占 惠阳珍珠早 珍珠矮11号 汕矮选4 珍汕97 广场13 广场矮3784 广场矮4182
日本晴 9311
东秋播
窄叶青8号/澄丰
青丰矮
陆财号
广陆矮4号
广秋矮 华南15
农阳矮
宋早甲
江二矮 珍汕97B 青二矮
(1967)
青农矮
桂阳矮49
朝阳早18
桂朝2号
转育不育细胞质 分子设计育种的关键技术：基因组和功能基因组 青桂矮5号
（鸡对伦）阔叶稻
水稻重测序和分子设计育种 珍汕97A （江西颜龙安） 特矮
明恢63 特青
叶青伦
青四矮/青二矮
(1976)
(1985)
汕优63
（福建谢华安）
（特三矮2号）
丰青矮 长丝占 丰矮占1号 28占
三青矮2号 (青油占/矮家伙)F3 青六矮1号（1987）
华南优质籼稻 核心种质体系
（2005）
黄华占
墨 兰 突 变 体 材 料 ( 远 东 国 兰 提 供 )
墨兰花被突变体 ( 远东国兰提供 )
人口与健康、小康社会
具有健康效应的健康食品/花卉
1.00
Response (µA)
0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 10.0 20.0
HPLC Physiological exposure
WT (JI992)
k (JI17)
lst (JI3021)
Lst/k (JI3207)
基于比较基因组的豆科基因图位克隆技术。
Physical map
Syntenic Anchor regions the target
Projection of the loci into the genomes of Lotus, Medicago and soybean
7/660
TM0168 TM0132 TM0021 4/660 2/660 1/660
TM0550 0/660
TM0934 2/660
TM0304 6/660
TM0060 TM0018 TM0588 10/660 10/660 12/660
SSR marker 0.1cM recombined chrs / total chrs
普遍性：
在高等植物基 因组中，是否存在 保守的途径控制花 型的对称性发育？ 利用同源（保 守）的分子途径， 改造花的形态。
通过筛选和克隆调控基 因，研究基因调控网络
keeled wing (k) determines the identity of wing (1920’s)
豌豆中影响花型发育的突变体
问题驱动的科学研究
花型发育分子机理研究 与大豆花型的分子设计
大豆叶片稠密，花小而且分散， 不易进行风媒授粉。左图为大田中 成垄的大豆，由于叶片阻挡，不易 风媒。右图为单株大豆分散的总状 花序和花朵，不易接受异源花粉。
不同品种大豆的花及同一品种大 豆同一植株的花之间的对比。
大豆花的分子设计： 把大豆改为不是大豆！ 回到虫媒花 ！
对花序的设计
野生型大豆
重新设计的大豆
在大豆中改变花型与杂交大豆育种
花的形状：重要的农艺性状 问题：雌雄蕊被龙骨瓣严密包裹， 导致自交。 解决方案：利用分子生物学技术， 改变大豆花的形状
百脉根Lotus japonicus（豆科模式植物）
植物花的形态通常与植物的花粉传播方式有关。百脉根花的龙骨瓣紧密包 裹雌雄蕊，导致自交；但两侧对称花可以吸引蜜蜂，由蜜蜂完成异花授粉。
BACs
TM0021 TM0930
TM0550 TM0521
gap
TM1654
BM1477 TM0934
TM0304
TM1246 gap TM0060
gap TM0018
100kbp
TM1247
TM0878
N
S
CR955008
AC140913 CR962124
CT573507 gap CT963113 CT963108 CU137658
Comparative genomic approach
conformation
映射 鉴别共线性区域 锚定目标基因 完成物理图谱 验证目标基因
L. japonicus Chr.2 partial
TM0521 0/330
Mutants from F2 of Gifu X MG-20
LjMOK
TM0257 21/660 TM0250
d
ab
lateral axis
p
ad
常规遗传育种 现代生物种业 植物分子设计 花卉的产业链 生物产业驱 动的学科发展
思考题
1，比较动物和植物发育的异同，指 出植物形态发育的特殊性。 2，在花发育的研究中，可以识别哪 隐含的发育模式。 3，花发育的基础理论研究和转化型 研究之间的关系。
豆科花型发育的特殊性和决定花型发育的新途径
两侧对称花具有不同的类型，提示两侧对称花具有可以分解的对称性机制： 花的对称性(D-V) 花器官的对称性(IN)
从普遍性到特殊性 从特殊性到普遍性： 在高等植物基 因组中，是否存在 不同的途径控制不 同的对称性？（寻 找新的分子途径） 在两侧对称花 发育过程中，不同 的对称性是如何被 偶联在一起？（基 因调控网络） 调控花型发育 分子途径的生物化 学性质
高等植物花的基本形态和分子机理
在丰富多样的植物花型中，可以鉴别三种基本的形态，提示在高等植物基 因组中存在少数的调控基因控制了花型的发育
寻找调控花型发育、保守的分子途径
玄参科金鱼草和豆科百脉根的花
用进化发育生物学(evodevo) 方法研究花型的发育
豆科花型发育与玄参科金鱼草花型发育的共性
两侧对称花都具有背侧腹花瓣的发育
在豌豆中鉴别调控花型发育的新基因
突变体syp1只影响花瓣的对称性，但不影响花瓣的背腹属性
在豆科基因组中存在两类控制花型发育的基因(两个独立的分子途径)
克隆豆科调控器官形状和大小的新基因
TCP TCP Myb SYP Zygomorphy Zygomorphy
WT
cyc
cyc:dich
LjCYC1 LjCYC2
大豆花的传粉昆虫
低效的访花行为
百脉根
蜜蜂
大豆
蜜蜂
切叶蜂
大豆花型导致蜜蜂访花效率低的两个主要原因 ：1，雌雄 蕊被龙骨瓣紧密包裹；2，大豆花与蜜蜂体型相比偏小。
改变花型与创造大豆新品种
在豆科花型发育分子机理研究基础上，克隆决定花型（器官形状和大小）关键基因， 利用转基因改变大豆花型，为创造与传粉昆虫配合的转基因大豆花和进行大豆杂种优 势利用的分子设计育种奠定基础。对器官的大小和形状进行调控，也为作物和园艺植 物的分子设计育种提供新的生物技术手段。
粳籼89
丰八占 黄新占 丰华占 华丝占
全球育种 计划BC3
把普通大米改造为金色 大米(富含维生素A)
把普通西红柿改造为富 含抗氧化物的保健大米
金鱼草（ Antirrhinum majus ）
野生型
单基因突变体
双基因突变体
百脉根（Lotus japonicus）
高科技花卉 分子定向设 计创新品种
夏堇（Torenia fourenieri）