花发育的分子遗传机制是植物发育生物学的研究热点之一。水稻(Oryza sativa)可以作为单子叶的模式植物,同时也是世界上最重要的粮食作物之一,开花时间、花序和花器官的形态结构都对其产量和品质构成重要的影响。所以,阐明其花发育的分子遗传机制不仅有助于增进人们对整个开花植物分子进化的理解,还有助于推动相关性状的分子育种研究。而且,作为禾本科的模式作物,在水稻中取得的成果可以直接推动禾本科其他重要粮食作物的相关研究,比如小麦(Triticum aestivum)和玉米(Zea mays)。基于拟南芥(Arabidopsis thaliana)和金鱼草(Antirrhinum majus)等双子叶植物的研究结果,目前我们对花发育分子遗传机制已经有了比较清晰的认识。但是,水稻等单子叶植物和双子叶植物早在1.5亿年以前就已分化。所以,对于水稻等单子叶植物花发育分子遗传机制的理解不能过分依赖拟南芥等双子叶模式植物的研究。在本文中,我们鉴定了两个水稻花发育关键基因,它们与拟南芥的直系同源基因之间都发生了较大的功能分化,主要结论如下:1.水稻小穗不确定性基因LHS1-3的图位克隆和功能分析在水稻等禾本科植物中,直接产生花的花序叫小穗,目前对于小穗的特征发育有了一定的了解,但是对其确定性的发育还缺乏了解。在本研究中,我们通过图位克隆鉴定了一个水稻小穗不确定性基因LEAFY HULL STERILE 1-3(LHS1-3)。主要结论如下:1.1 LHS1-3特化水稻小穗确定性发育在lhs1-3所有的小穗中,原有的顶花被不确定数目的侧生小花代替,它们以1/2交替顺序排列在延长不等的小花轴上。这表明lhs1-3突变体丢失了小穗的确定性,暗示LHS1-3调控水稻小穗的确定性发育。1.2 LHS1-3调控花分生组织和花器官的发育lhs1-3小花的花器官也表现出了严重的特征缺陷或缺失,包括延长变薄的外稃、分裂的内稃、减少或缺失的浆片、减少的雄蕊和偶尔多柱头的雌蕊。这些结果暗示LHS1-3基因可能在早期的花分生组织中负责起始正常数目的内轮花原基并调控花分生组织的确定性,而后期调控内外稃的细胞分化和增殖。1.3 LHS1-3在外稃和内稃中特化不同的细胞类型lhs1-3突变影响外稃的发育比内稃要严重得多。外观上,lhs1-3外稃延长、加宽、变薄,而内稃只是表现出分裂;在组织结构上,外稃的厚壁组织细胞层严重减少,内稃中只是厚壁和薄壁组织细胞层变得不太容易区分,而细胞层数并未有明显的变化。这些结果表明LHS1-3基因在外稃的细胞分化和增殖中承担了更加重要的作用,同时这也再次证实水稻的内稃和外稃的发育的确受到不同的基因调控。1.4 lhs1-3是OsMADS1基因的等位突变LHS1-3基因被定位在水稻第3染色体上的分子标记PSSR3和RM7576之间,物理距离相距34kb。在这个区间包含OsMADS1等3个注解基因。在lhs1-3突变体中,OsMADS1基因的第一内含子中插入了一个5166bp的Pong转座子元件,并且检测不到任何OsMADS1的转录信息;另外,OsMADS1一个玉米直系同源基因ZmMADS8的功能缺失突变也引起小穗确定性的丢失。这些结果都暗示lhs1-3是OsMADS1基因的等位突变。2.水稻雄蕊雌蕊化基因PS的图位克隆和功能分析花器官特征发育调控的ABCE模型在很大程度上也适用于单子叶植物。然而目前对水稻等单子叶植物中相关基因的调控机制还缺乏了解。在本研究中,我们鉴定了一个雄蕊雌蕊化基因PISTILLOID-STAMEN(PS),它通过调控B、C功能基因的表达来维持正常的雄蕊特征。2.1 PS基因调控雄蕊的特征发育ps突变严重影响了水稻内外稃对称轴线上的2枚雄蕊原基的起始,使其被雌蕊原基代替。其他的雄蕊原基虽然可以正常起始,但是它们最终多数融合了雌蕊的特征或严重退化。这些结果表明PS基因是雄蕊的特征发育所必需的。2.2 PS基因调控水稻花器官特征基因的表达在雄蕊原基起始及其发育早期,ps突变体中特化雄蕊特征发育的B、C功能基因都表现下调,而特化雌蕊特征的DL基因表现上调,暗示了PS基因可能激活或(和)维持B、C功能基因在第3轮中的表达,或者抑制DL基因的在第3轮中异位表达。2.3 PS调控花器官的形态发育ps突变体所有的花器官形态都发生变化。第1轮内外稃的长和宽明显减小,而且始终不能闭合;第2轮浆片偶尔伸长,体积也会变大;在第3轮,雌蕊化的器官大多数带有不定数目的柱头或(和)不定型组织,而未被雌蕊化的雄蕊形态也很不正常,特别是花药表现严重的退化。第4轮的雌蕊相对正常,但是经常会出现多柱头,而且大多数不能正常结实。这些结果暗示PS基因是维持花器官后期正常的细胞分化和增殖所必需的。2.4 PS基因功能的保守与分化PS编码一个C2H2锌指结构蛋白,是拟南芥JAG/NUB基因的直系同源基因,JAG基因调控侧翼器官的形态发育,包括叶片和所有的花器官,而JAG的旁系同源基因NUB调控雄蕊和心皮的形态发育,功能与JAG部分冗余。ps突变的花器官形态与jag和nub突变很相似,暗示PS基因和JAG/NUB基因调控花器官形态发育的功能是保守的。然而没有发现JAG/NUB有特化雄蕊特征的功能,也没有发现PS调控叶片的形态发育,表明PS和JAG/NUB在进化过程中已经发生了功能分化。