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圖1 水生植物異形葉發(fā)育的調(diào)控機(jī)制圖
水生植物為應(yīng)對水位升降而演化出了異形葉來適應(yīng)環(huán)境。異形葉植物的陸生葉形簡單，氣孔密度較高，而水生葉則趨同演化出了相似表型：葉形多為深裂或線形，表皮氣孔密度降低或缺失。近年來，國內(nèi)外開展了一些水生植物異形葉的調(diào)控機(jī)制研究，但個別物種的調(diào)控途徑不足以代表各類水生植物異形葉趨同演化的普遍規(guī)律，其特殊性和普遍性仍存在爭議。
為解決上述問題，中國科學(xué)院水生生物研究所侯宏偉團(tuán)隊(duì)對已收集的多種水生植物開展了形態(tài)、結(jié)構(gòu)、生理和轉(zhuǎn)錄組比較分析。研究表明，調(diào)控葉形發(fā)育的KNOX1基因在鹿角矮珍珠（毛茛科）、水生蔊菜（十字花科）、粉綠狐尾藻和乳突狐尾藻（小二仙草科）、羽裂水蓑衣（爵床科）和小紅莓（柳葉菜科）等多種異形葉植物的水生葉中普遍上調(diào)，異源過表達(dá)這些KNOX1基因會導(dǎo)致擬南芥產(chǎn)生相似的深裂葉表型，表明該基因具有保守的促進(jìn)葉形復(fù)雜化的能力，因而水生環(huán)境下該基因的表達(dá)量上調(diào)可能是促進(jìn)異形葉植物在水生生境中趨同形成復(fù)雜葉形的關(guān)鍵原因。
研究發(fā)現(xiàn)，脫落酸處理能夠顯著誘導(dǎo)7個物種的水生植株產(chǎn)生陸生葉形，可能是促進(jìn)其陸生葉發(fā)育的關(guān)鍵植物激素；這些植物在沉水處理后氣孔密度降低，可能是氣孔發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)下調(diào)而導(dǎo)致的趨同表型。目前，對水生植物葉形變異的計算方式（包括葉片長寬比（L/W）、橢圓指數(shù)（EI）、解剖指數(shù)（DI）等）尚無統(tǒng)一量化指標(biāo)。團(tuán)隊(duì)通過比較不同環(huán)境下多個物種的葉形差異，確定DI（周長除以面積的開方）能夠顯著區(qū)分各種葉形變異，可作為量化水生植物葉形的統(tǒng)一指標(biāo)，為相關(guān)科研人員提供了參考。
上述成果以“Transcriptomic analyses reveal common heterophylly regulations in eight amphibious eudicots”為題，在線發(fā)表于植物學(xué)領(lǐng)域經(jīng)典國際期刊Plant & Cell Physiology。水生所李高潔項(xiàng)目副研究員為該論文第一作者，侯宏偉研究員為通訊作者。相關(guān)工作得到中國科學(xué)院國際伙伴計劃項(xiàng)目資助。