新聞科研進(jìn)展
“異形葉”是指基因型相同的植物由于環(huán)境變化導(dǎo)致葉形顯著差異的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在水生植物中尤其常見(jiàn)。異形葉植物的水生葉常為深裂、絲狀或線形，葉片較薄，氣孔密度較低或缺失；而陸生葉的葉形則相對(duì)簡(jiǎn)單，葉片較厚而維管束發(fā)達(dá)，氣孔密度較高。異形葉是研究植物表型與生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性的理想模型，不同進(jìn)化地位的異形葉植物在相同環(huán)境下具有相似的表型特征，這也為研究植物趨同進(jìn)化的機(jī)制提供了獨(dú)特的研究模型。然而，由于缺乏合適的模式植物，其分子機(jī)制研究進(jìn)展緩慢，異形葉調(diào)控機(jī)制目前仍不清楚。
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所侯宏偉研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)篩選，發(fā)現(xiàn)一種爵床科水生植物異葉水蓑衣（Hygrophila difformis）的葉形在不同環(huán)境條件下存在顯著差異，其異形葉特征明顯，水生葉和陸生葉具有明顯區(qū)別（圖1）。此外，該植物具有植株大小合適、生長(zhǎng)迅速、能夠響應(yīng)多種環(huán)境變化等優(yōu)勢(shì)（Li et al., 2017）。該團(tuán)隊(duì)隨后建立了異葉水蓑衣的穩(wěn)定遺傳轉(zhuǎn)化體系，為研究其分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)（Li et al., 2020）。近日，該團(tuán)隊(duì)以異葉水蓑衣為實(shí)驗(yàn)材料，研究了KNOTTED1-LIKE HOMEOBOX （KNOX1）基因家族中SHOOT MERISTEMLESS (STM)在異葉水蓑衣葉形發(fā)育中的功能，通過(guò)遺傳學(xué)證據(jù)證明HdSTM參與了異葉水蓑衣的異形葉發(fā)育過(guò)程。
圖1. 異葉水蓑衣在水生和陸生環(huán)境下的異形葉表型
A. 陸生植株；B. 沉水植株；C. 陸生植株水淹后的葉形變化
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，與陸生環(huán)境相比，異葉水蓑衣的HdSTM在水生環(huán)境中的表達(dá)水平顯著提高。原位雜交結(jié)果表明，不同于擬南芥等模式植物中STM僅局限于莖頂端分生組織的表達(dá)模式，HdSTM在莖頂端分生組織、葉緣鋸齒或小葉中的表達(dá)均較高，其基因表達(dá)模式隨環(huán)境條件的變化而改變，具有顯著的物種特異性。在擬南芥中異源過(guò)表達(dá)該基因能夠使其產(chǎn)生葉裂增加等表型，而調(diào)控植物器官邊界和葉緣發(fā)育的CUP-SHAPED COTYLEDON (CUC)基因的表達(dá)也顯著提高。過(guò)表達(dá)HdSTM的異葉水蓑衣在陸生環(huán)境下無(wú)明顯葉形變化，而在水淹條件下能夠迅速產(chǎn)生深裂葉（圖2）；HdSTM的RNAi植株葉形及葉序發(fā)育受阻，沉水葉的復(fù)雜程度顯著降低。原位雜交實(shí)驗(yàn)表明，HdSTM與HdCUC3表達(dá)模式相近。酵母雙雜交和BiFC等實(shí)驗(yàn)證明HdSTM與HdCUC3存在蛋白互作，這表明HdSTM可能與HdCUC3共同調(diào)控異葉水蓑衣的異形葉形成（圖3）。該研究首次通過(guò)分子生物學(xué)證據(jù)表明STM參與水生植物異形葉形態(tài)發(fā)生的調(diào)控和機(jī)制（Li et al., 2022）。
圖2. 沉水條件下HdSTM的過(guò)表達(dá)植株葉形復(fù)雜程度迅速增加
A. 野生型及過(guò)表達(dá)HdSTM的陸生植株；B. 野生型及過(guò)表達(dá)HdSTM的陸生葉形；C. 野生型及過(guò)表達(dá)HdSTM的陸生植株水淹14天后的植株表型；D. 野生型及野生型及過(guò)表達(dá)HdSTM的陸生植株水淹14天后的葉形
圖3. 酵母雙雜交和BiFC驗(yàn)證HdSTM和HdCUC3的互作關(guān)系
A. 酵母雙雜交；B. BiFC實(shí)驗(yàn)
該工作歷經(jīng)8年，近日以“SHOOT MERISTEMLESS participates in the heterophylly of Hygrophila difformis (Acanthaceae)”為題，在線發(fā)表于Plant Physiology（https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiac382/6671852?searchresult=1&login=true#supplementary-data）。水生所博士后李高潔為論文第一作者，侯宏偉研究員為通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFE0128800）、國(guó)家自然科學(xué)基金（31870384、32101254）和中國(guó)科學(xué)院國(guó)際伙伴關(guān)系計(jì)劃項(xiàng)目（152342KYSB2020021）的支持。
參考文獻(xiàn)：
Li G, Yang J, Chen Y, Zhao X, Chen Y, Kimura S, Hu S, Hou H. SHOOT MERISTEMLESS participates in the heterophylly of Hygrophila difformis (Acanthaceae). Plant Physiol. 2022, 19: kiac382.
Li G, Hu S, Yang J, Zhao X, Kimura S, Schultz EA, Hou H. Establishment of an Agrobacterium mediated transformation protocol for the detection of cytokinin in the heterophyllous plant Hygrophila difformis (Acanthaceae). Plant Cell Rep. 2020, 39(6): 737-750.
Li G, Hu S, Yang J, Schultz EA, Clarke K, Hou H. Water-Wisteria as an ideal plant to study heterophylly in higher aquatic plants. Plant Cell Rep. 2017, 36(8): 1225-1236.