植物叶缘形态的发育调控机理
生物多样性研究的关键问题之一是表型多样性的形成和演化机制, 因为表型多样性与物种多样性密切相关, 同时又承载着环境的变异信息。植物的叶具有丰富的形态多样性, 一个植物的叶形态不仅取决于其系统发生和遗传信息, 也有生态因素的作用, 因为叶片不仅是光合作用的重要场所, 也是植物感知光、温、水等环境变化的重要器官。对被子植物而言, 为了进一步适应不同的陆生环境、更有效地利用光能, 植物在叶形方面发生了巨大的变化。可以说, 叶的形态变异不仅是植物适应不同环境的具体体现, 也是植物表型多样性的重要组成部分。早在18世纪, 德国哲学家和诗人歌德(Johann Wolfgang von Goethe)就发现各种叶形的可变异性。他观察到一个植株上叶的形态转变, 从而推测叶形的本质在于不断变化(转引自Chitwood & Sinha, 2014)。
叶边缘形态是叶形多样性的重要组成部分, 主要有全缘、锯齿状、不同程度(深浅)和不同式样(羽状或掌状、回数等)的裂刻等。这些变异具有重要的生物学意义, 如叶缘裂刻能调节叶面温度和水分流失, 对干旱、高温等逆境胁迫表现出更强的适应性(Siso et al, 2001; Kidner & Umbreen, 2010); 叶缘上分布的齿或裂刻赋予叶片空间延伸的可塑性, 比全缘叶更快速响应和竞争有限光源; 此外, 植物学家早已发现边缘锯齿状的叶能更好地适应低温, 如高纬度或寒冷地区的植物更多拥有边缘锯齿状或较深齿裂的叶片(Ledford, 2018), 因此叶齿(serration) /裂(dissection)的深度可作为地球演化历史中陆地地块年平均气温的指示物(Wolfe, 1995)。
生物体表型的形成是大量基因表达(包括转录和翻译)的集合产物(Bonn & Furlong, 2008), 这些基因共同构成复杂的调控网络(gene regulatory network, GRN), 上、下游基因以及相关的小RNA联结成通路(Carroll, 2008), 通过表达的时空模式和/或表达水平的改变, 影响着形态特征的发育和建成。关于叶边缘形态建成的发育调控机制, 在拟南芥(Arabidopsis thaliana)、碎米荠(Cardamine hirsuta)、烟草(Nicotiana tabacum)、番茄(Solanum lycopersicum)、苜蓿(Medicago truncatula)、豌豆(Pisum sativum)等模式植物中已有大量的研究报道(Barkoulas et al, 2007; Blein et al, 2008, 2010; Efroni et al, 2010; Chitwood & Sinha, 2014; Bar & Ori, 2015)。叶是茎端分生组织(shoot apical meristem, SAM)产生的第一类侧生器官, 其发生和形态建成受茎顶端分生组织生长和分化的影响。KNOX类基因(Class I KNOTTED1-like homeobox)主要在茎端分生组织中表达, 调控细胞的分裂和生长, 决定叶原基的形成和复叶形态的发育, 是迄今为止研究最多的与叶形成和发育密切相关的调控基因(Hay et al, 2006; Hay & Tsiantis, 2010; Bar & Ori, 2015)。叶原基起始后叶向两侧延展, 叶缘形态随即建成。叶边缘形态多样性也是在复杂的基因调控网络作用下形成的, 涉及众多的因子, 如特异基因、转录因子、激素、小RNA等。本文综述此方面近20年的研究进展, 探讨叶片边缘形态发育的分子调控机理。
1 生长素输出(auxin efflux)调控途径
1.1 叶边缘锯齿发育的生长素调控模型
叶片的生长发育可分为3个部分重叠的连续过程, 即: 叶原基形成后的发育起始期、初级形态建成期(primary morphogenesis, PM)和次级形态建成期(secondary morphogenesis, SM)或分化期(differentiation)。在叶片的发育起始期, 叶片细胞主要进行分裂, 而在后两个时期, 叶片细胞主要进行分化和生长(Dengler & Tsukaya, 2001; Bar & Ori, 2015)。在叶片的生长发育过程中, 生长素作为最重要的植物激素之一, 对叶片的形态建成起到了极大的调控作用。在植物体内, 生长素的运输有极性和非极性两种方式, 其中极性运输是一种主动运输, 由形态学上端运至形态学下端, 可以逆浓度梯度而行。这种极性运输通过相邻的细胞传递, 是由定位在细胞膜上的输入载体AUX/LAX (AUXIN1/LIKE AUX1)家族蛋白和输出载体PIN (PIN-FORMED)家族蛋白协同作用的结果, 在决定植物形态发育的过程中起着非常重要的作用(Benkova et al, 2003; Petrasek et al, 2006; Vandenbussche et al, 2010)。
围绕叶边缘齿或裂刻的生长素调控途径, 有关生长素输出途径中PIN蛋白及诸多调控因子的研究较为深入。研究表明, 拟南芥的齿裂叶中, 每个叶齿突出处都是生长素的高浓度汇聚点, 这与PIN1蛋白在细胞膜上的极性定位有关。PIN1的动态表达量数据显示, 叶边缘的PIN1蛋白在表皮细胞中形成一个极性汇聚点, 生长素的流动方向与PIN1在细胞中的极性定位方向一致, 从而建立了生长素的最大积累, 促使此处的叶齿形成。在pin1突变体中, 生长素的梯度分布被打乱, 沿着整个叶边缘均匀分布, 叶缘裂刻消失, 形成边缘光滑的全缘叶, 说明依赖于PIN1的生长素浓度梯度分布决定了叶边缘裂刻的形成和分布(Benkova et al, 2003; Hay et al, 2006; Barkoulas et al, 2008; Bilsborough et al, 2011)。
PIN1的极性定位受一类转录因子NAM (CUC)的调控。NAM (NO APICAL MERISTEM)首先在矮牵牛(Petunia hybrida)中发现, 其作用主要是决定植物边缘器官和形态的建成(Souer et al, 1996)。拟南芥等十字花科植物中的NAM直系同源基因有两个, CUC1和CUC2 (CUP-SHAPED COTYLEDON1, 2), 其中cuc2突变体表现为两枚子叶融合为杯状, 相邻的花萼、雄蕊等边缘也相互融合(Aida et al, 1997)。NAM (CUC1 2)的旁系同源拷贝为CUC3, 该基因在功能上与前者存在部分冗余(Vroemen et al, 2003; Hasson et al, 2011)。一系列实验研究表明, CUC/NAM转录因子对叶缘齿/裂的形成起着重要调控作用: 拟南芥的CUC2和CUC3在叶齿之间凹陷处均有表达信号, cuc2突变体的叶片裂刻消失变为全缘, cuc3的叶边缘裂齿程度有所降低; 而cuc1对叶缘形态基本没有影响。CUC2的作用是在叶片发育早期决定齿的形成, 而CUC3则是维持齿的生长(Nikovics et al, 2006; Kawamura et al, 2010; Bilsborough et al, 2011; Hasson et al, 2011)。另外, 在具有复叶的植物中, 沉默NAM/CUC类基因对小叶的形成也有影响, 其结果使碎米荠和番茄等的小叶融合、小叶数目和裂齿程度下降(Blein et al, 2008)。
关于NAM/CUC类基因对叶边缘形态发育的调控, 实验数据结合计算机模拟形成了一个基本模型, 即: 叶齿(serration)是一个空间上特异分布的调控模块的形态学产物, 该模块的核心是CUC2和生长素的最大作用位点沿发育中的叶边缘间隔分布。具体的调控模型如图1所示: CUC2的表达随叶的生长在叶边缘呈不连续分布, 受其调控, PIN1蛋白在细胞中重新定位, 将生长素以相对的方向逆浓度梯度运输到一个汇聚点, 此处即长出叶齿; 而逐渐积累的生长素又通过激活一类miRNA——miR164对CUC2进行负调控。因此, CUC2和生长素之间形成一个反馈作用环, CUC2调控生长素的极性汇聚, 而生长素的汇聚又抑制CUC2的表达, 致使CUC2的活跃区与生长素的最大浓度区相互间隔, 映射到表型上则是: 叶齿突出部位是生长素的最大浓度区, 而凹陷处是CUC2的活跃表达区。在此调控模块中, CUC2和MIR164A在共同区域表达, 其作用呈动态平衡; 生长素及其输出载体蛋白PIN1既是叶齿发育的直接作用者, 又是调控因子间相互作用的介导者(Nikovics et al, 2006; Barkoulas et al, 2007; Bilsborough et al, 2011; Bar & Ori, 2014)。
图1 叶缘锯齿发育的调控模型(综合拟南芥和碎米荠中的研究, 基于Barkoulas等(2007)和Runions和Tsiantis (2017)两文中的图修订而成)。该调控模型的核心是转录因子CUC2 (红色)与生长素(黄色)之间的反馈作用环: CUC2指导PIN1蛋白在细胞中重新定位, 将生长素从两个方向逆浓度梯度运到一个汇聚点; 生长素的积累又反过来通过激活miR164抑制CUC2的表达。CUC2和miR164在共同区域活动, 相互平衡, 调控着生长素的极性运输, 生长素促进叶齿的生长。另外, 其他生长调节因子也参与修饰叶齿/裂的形态发育, 比如: 碎米荠等十字花科植物的RCO类基因抑制叶齿两侧细胞的生长, 调控更多的齿/裂形态式样。
Fig. 1 A model for the molecular regulation of the development of leaf marginal serration according to studies on Arabidopsis thaliana and Cardamine hirsute (Barkoulas et al, 2007; Runions & Tsiantis, 2017). At the heart of the model is a feedback loop between CUC2 and auxin activities. CUC2 is required for PIN1-mediated auxin polar transport (horrow arrows); in turn, auxin activity maxima at the tip of the developing serration activates miR164 which represses CUC2 posttranscriptionally and generates an interspersed pattern of auxin maxima and CUC2 expression at the leaf margin. MIR164 and CUC2 are expressed in partially overlapping regions at the sinus of the serrations. Auxin enhances outgrowth of the serrations. There are additional growth regulators modulating leaf growth to shape the form of protrusions, for instance, RCO inhibits growth in indentations, producing more dissected forms.
1.2 真双子叶植物中NAM/CUC类基因对叶缘形态调控作用的保守性
Blein等(2008)比较研究了5个真双子叶植物中NAM (CUC1/2)和CUC3在叶边缘形态建成中的作用, 发现该类基因具有调控单叶叶齿和复叶上小叶形成的双重作用, 且这个作用在真双子叶植物中是保守的。研究表明, 降低番茄植株叶片中NAM/CUC基因的表达后, 小叶几乎融合(Berger et al, 2009), 数目变少, 小叶边缘变为全缘(Blein et al, 2008); 碎米荠中减少NAM/CUC基因的表达后, 小叶融合, 小叶和托叶的数目减少(Blein et al, 2008); 在豌豆的NAM/CUC基因缺失突变体中检测到这一基因的直接下游调控基因的表达量明显下降, 同时叶形态发生异常(Blein et al, 2008); 耧斗菜(Aquilegia caerulea)的NAM基因或CUC3基因被沉默后, 小叶叶裂减少, 而同时沉默NAM基因和CUC3基因后, 小叶变为全缘(Blein et al, 2008)。此后在苜蓿中的研究也发现, MtNAM基因缺失突变体的叶片也发生小叶融合或边缘锯齿减少的现象(Cheng et al, 2012)。
Sha等(2018)首次在菊科植物中检测了NAM-like对于叶齿和羽状分裂的调控作用。菊科蓍属(Achillea)植物的叶缘形态具有丰富的多样性: 齿叶蓍(A. acuminata)的叶缘为锯齿状; 而亚洲蓍(A. asiatica)的叶则三回羽状全裂, 裂片成细丝状。Sha等(2018)克隆出两种植物中的NAM-like基因—— AacNAM和AasNAM, 发现它们的表达时空模式有显著差异, 即: 在齿叶蓍中, AacNAM仅在叶边缘齿的相应位置表达, 随着幼叶的生长其表达量持续下降; 而亚洲蓍中, AasNAM在幼叶边缘以及伸长的裂片边缘(对应二回裂片的位置)均有表达信号, 且表达量随着幼叶的生长上下波动。进一步的分析发现两个物种的NAM-like在启动子区域存在一个较大片段(1210碱基)的缺失-插入变异, 这可能意味着顺式调控元件的差异。该研究不仅支持了NAM (CUC1/2)在真双子叶植物中叶缘形态调控作用的保守性, 也表明单回叶裂和多回叶裂的差异很可能与NAM-like的时空表达模式差异相关, 即: 多回裂片的发生可能是调控模块周期性运作的结果。
综上所述, 在多个植物类群中均检测到CUC/NAM基因功能的缺失会导致叶边缘齿裂程度的降低, 说明CUC/NAM对叶边缘形态发育的调控作用在真双子叶植物中是保守的。
1.3 通过生长素输出途径影响叶缘形态发育的其他因子
植物miRNA负调控内源性靶基因, 通过与靶基因转录物的部分或完全结合来识别和裂解这些转录物。在叶发育过程中, miRNAs与其靶向基因共同作用于生长素的输出通路, 从而调控叶缘齿/裂的发育。研究表明, 生长素最大积累瞬时诱导MIR164的表达, miR164通过对靶基因CUC2的转录后负调控来影响器官原基的边界建立。利用T-DNA插入方法获得的拟南芥mir164突变体, MIR164表达量降低导致CUC2表达量升高, 叶片裂刻加深(Nikovics et al, 2006), 而当miR164过表达时, CUC2表达降低, 导致拟南芥叶变全缘、碎米荠小叶变少(Rubio-Somoza et al, 2014)。CUC2的旁系同源基因CUC3缺乏miR164的结合位点而不受其调控, 但CUC3与CUC2之间存在相互作用, CUC2能促进CUC3活性, 两者形成的异源二聚体在叶片发育过程中调节叶齿/裂的发育和叶缘复杂性的建成(Chitwood & Sinha, 2014; Rubio-Somoza et al, 2014)。
另一组能调控叶缘复杂性的转录因子是受miR319负调控的TCPs (TEOSINTE BRANCHED 1/CYCLOIDEA/PCF)家族成员。MIR319A和MIR319B单突变一定程度上抑制拟南芥叶缘齿裂的形成, 双突变使得拟南芥叶变全缘(Koyama et al, 2017)。过表达MIR319, TCP水平降低, 导致拟南芥叶齿增多、碎米荠小叶增多(Palatnik et al, 2003; Daniel et al, 2004)。Rubio-Somoza和他的团队将miR164-CUC与miR319-TCP两条miRNA调节通路在蛋白水平联系起来, 表明TCP4能分别与CUC2和CUC3形成二聚体, 从而阻止CUC2-CUC3二聚体的形成, 导致叶齿/裂程度降低。其他研究者的相关研究也都表明, TCP类转录因子可负调控CUC类基因而发挥对叶边缘形态的调控作用(Palatnik et al, 2003; Daniel et al, 2004; Chitwood & Sinha, 2014; Rubio-Somoza et al, 2014; Koyama et al, 2017)。
此外, miR156在植物营养生长过程中发挥着关键性作用, 且与叶缘形态发育紧密相关。拟南芥中, miR156的活性在植物叶发育过程中呈逐渐下降趋势; 通过操纵miR156的活性能减慢或加快叶复杂性的获得(Rubio-Somoza et al, 2014)。miR156的作用是通过其靶向转录因子家族的SPLs (SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE)而实现的。研究发现, SPL9能与TCP4形成二聚物, 因此减少TCP与CUC的结合, 间接调控叶边缘形态的复杂性。Rubio-Somoza等(2014)根据实验结果解释了叶发育过程中叶缘的变化: 叶发育早期幼嫩时, miR156水平较高, 抑制了SPL9的活性使之无法与TCPs结合, 从而更多的TCPs得以与CUCs结合, 阻止了CUC2-CUC3二聚体的形成, 也就阻碍了叶齿、小叶的形成; 随着叶龄增长, miR156水平下降, 导致SPL9水平上升, 大量与TCPs发生反应形成二聚体, 从而抑制了后者与CUC2或CUC3的结合, 更多的CUC2-CUC3二聚体促进了叶齿或小叶数目的增多。基于这一研究结果, Chitwood和Sinha (2014)解释了植株个体发育过程中叶异型性(heteroblasty)的miR156-SPL9调控原理。
上述调控模块中的TCP转录因子的活性又受到TIE1 (TCP INTERACTOR-CONTAINING EAR MOTIF PROTEIN1)转录抑制因子的作用: 在叶缘形态发育中TIE1能招募共抑制因子TOPLESS (TPL)/TOPLESS-RELATED (TPR)在蛋白水平上抑制TCP的活性, 因此, 过表达TIE1能引起叶边缘裂刻的加剧(Tao et al, 2013); 而TIE1又与TEAR1 (TIE1-ASSOCIATED RING-TYPE E3 LIGASE1)有相互作用, TEAR1及其同源基因发生突变可引起叶片边缘锯齿增多(Zhang et al, 2017)。秦跟基课题组(Tao et al, 2013; Zhang et al, 2017)根据其实验结果提出一种新的精确调控TCP活性的叶缘形态发育调控机制: TIE1招募TPL/TPRs共同抑制TCP的活性, 而TEAR1通过介导TIE1的降解来解除TIE1对TCP的抑制, 从而正调控TCP的活性。可见, TIE1和TEAR1通过对TCP的调控而间接影响了叶缘的形态发育。
2 生长素输入(auxin influx)途径的调控因子
生长素输入载体蛋白AUX1/LAX家族成员对于稳定由PIN输出载体蛋白主导的生长素极性运输具有重要作用。研究发现, AUX1/LAX和PIN家族的基因在顶端分生组织中都有表达, 叶原基的形成主要依赖PIN的活性, 但也有AUX1的作用(Kramer, 2004; Heisler & Jonsson, 2006)。AUX1/LAX在叶原基中也有表达, 对叶缘的形态发育有一定的作用(Bilsborough et al, 2011)。AUX1/LAX1/LAX2三种AUX1/ LAX家族基因在拟南芥早期叶发育过程中有明显的特异表达模式(LAX1在叶尖端表达并随着叶的生长在叶缘齿裂的位置表达、LAX2随叶生长逐渐局限于叶脉部位表达、AUX1在分生组织表面以及沿着新长出的叶原基边缘表达), 当AUX1/LAX1/LAX2同时突变时, 叶边缘锯齿会减小, 但双突变或单突变对叶缘均无明显影响(Kasprzewska et al, 2015)。
3 生长素途径中与叶缘形态相关的其他蛋白或调控因子
植物中一种名为EPFL2 (EPIDERMAL PATTERNING FACTOR-LIKE)的肽和ERECTA (ER)家族成员也参与叶边缘锯齿的形态发生过程(Tameshige et al, 2016)。当拟南芥中的EPFL2或ER发生突变时, 叶片边缘会变得圆滑, 并检测到生长素在整个叶缘区分布(在具有齿的野生型叶片中, 叶边缘的生长素只在齿的位置累积)。EPFL2与ERECTA形成配体-受体对, 从而抑制生长素在叶齿处的响应, 而生长素又反过来抑制EPFL2的表达, 形成负反馈环。该反馈系统在叶缘生长过程中维持着生长素的响应式样(Tameshige et al, 2016)。
另外, 目前的研究表明, JAGGED (JAG)、JAGGED LATERAL ORGANS (JLO)、Trifoliate (Tf) 等也能通过生长素途径发挥叶边缘形态发育的调控作用; 同时它们还能影响KNOX调控通路, 这将在下面的段落讨论。
4 KNOX家族基因调控途径
4.1 KNOX家族基因对叶缘形态发育的调控作用
KNOX属于KNOTTED1-LIKE HOMEOBOX (KNOX)基因家族(Vollbreeht et al, 1991), 在拟南芥中有4个成员: SHOOT MERISTEMLESS (STM), KNAT1 (又称BREVIPEDICELLUS, BP), KNAT2以及KNAT6 (Hake et al, 2004)。番茄中的KN2 (TKN2)和TKN1以及玉米中的KNOTTED1 (KN1)也为KNOX家族的成员(Hay & Tsiantis, 2010)。
KNOX家族成员在植物顶端分生组织中表达, 其调控作用对叶和花的发生、发育都是必不可少且是保守的(Bharathan et al, 2002; Piazza et al, 2010)。KNOX基因在叶原基形成的起始时期表达下调或没有表达, 但随后在叶片发育过程中其表达存在物种特异性, 这与叶缘形态的多样性有关(Piazza et al, 2010)。在绝大多数双子叶植物中, KNOX的表达活性与叶缘的复杂性高度相关, 在很多具羽状复叶或叶缘有裂刻的物种中可检测到KNOX在叶片中表达 (Bharathan et al, 2002; Piazza et al, 2010), 如在碎米荠、番茄的复叶里, KNOX基因在叶片发育过程中有表达。拟南芥中存在全缘叶的植株类型, Piazza等(2010)在用15个基因位点的DNA序列信息对拟南芥属及十字花科其他支系的物种进行系统发生分析基础上, 推断拟南芥中的齿裂叶为祖征, 全缘叶为衍生, 而齿裂的消失与叶片中STM (KNOX家族成员)的表达缺失有关, 因为在其他叶缘分裂的物种的发育叶片中均检测到STM的表达, 且敲减其表达后叶裂消失; 进一步的分析显示该表达缺失可能与STM启动子区域序列的变异有关(Piazza et al, 2010)。另外, 在叶片中异常表达KNOX基因可引起叶缘形态的强烈反应: 过表达KNOX基因时, 拟南芥、烟草以及番茄的La突变体(为单叶)出现增多的叶裂; 降低碎米荠中STM的表达时, 小叶发育被严重抑制, 甚至形成单叶, 而过表达KNOX则引起小叶增加(Hay & Tsiantis, 2006; Shani et al, 2009; Efroni et al, 2010); 在野生番茄叶中过表达玉米的KN1, 产生超级复叶, 小叶数目剧增(Hareven et al, 1996; Efroni et al, 2010)。可见, 无论是小叶还是叶缘裂刻的发育都受到KNOX家族基因的调控, 其作用机制可能是KNOX通过负调控赤霉素的生物合成基因或促进细胞分裂素的生物合成而改变激素之间的平衡, 从而控制叶缘形态的发育(Efroni et al, 2010; Moon & Hake, 2011)。然而也有研究表明, 具多裂叶的豆类植物叶片上并没有KNOX基因的表达(Piazza et al, 2010)。
4.2 通过KNOX途径影响叶缘形态发育的其他因子
KNOX的时空表达受多个不同调控途径因子的影响, 很多因子并不直接影响叶缘形态的发育, 但由于其能直接或间接促进或抑制KNOX基因, 因此也导致了叶缘形态的变化。惠麦霞等(2012)对于这些调控因子的作用已作了详细综述, 本文仅作概述和补充。
KNOX类基因的表达受ARP基因(名称源于拟南芥的ASYMMETRIC LEAVES1 (AS1), 玉米的ROUGH SHEATH2 (RS2)和金鱼草的PHANTASTICA)的抑制。这类基因编码MYB转录因子, 在形成侧生器官的细胞中表达并抑制KNOX的活性。拟南芥中, 突变体as1的叶缘产生裂刻, 叶原基中KNOX类基因(BP, KNAT2, KNAT6)表达普遍上调(Byrne et al, 2002)。AS1的这个作用机制是它与AS2形成二聚体复合物直接结合到KNOX的启动子区域, 共同抑制KNOX基因在器官原基中的表达(Byrne, 2005; Moon & Hake, 2011; Bar & Ori, 2015)。
BLADE ON PETIOLE1 (BOP1)和BOP2属于BTB蛋白家族, 两者能形成二聚物, 发挥转录激活因子的功能。BOP1和BOP2在侧生器官基部表达, 在叶基部表达的BOP能直接正调控AS2, 抑制该区域KNOX基因的表达(Jun et al, 2010)。bop1和bop2双突体的叶片变大, 在叶柄处长出叶齿、叶翅等(Ha et al, 2003, 2010; Norberg et al, 2005)。因此, BOP通过抑制叶基部和叶柄处KNOX的表达来保证正常的叶片形态建成(Ha et al, 2010; Wang et al, 2015)。
JAGGED LATERAL ORGANS (JLO)被认为是拟南芥中器官边界建立的“调节器” (Wang et al, 2015), 属于LATERAL ORGAN BOUNDARY DOMAIN (LBD) 基因家族成员, 在分生组织和器官原基的边界特异表达。JLO能诱导叶片中KNOX家族STM和KNAT1的表达, 并抑制PIN的基因表达, 当JLO在拟南芥叶片异位表达时可产生深裂、叶柄减短的叶片(Borghi et al, 2007)。
JAGGED (JAG)编码具有C2H2锌指结构的转录因子。JAG功能缺失能引起拟南芥的叶产生叶裂; 番茄中的JAG同源基因是LYRATE (LYR), lyr突变株产生更多小叶, 而LYR的过表达则引起小叶融合。可见, JAG/LYR可能通过与KNOX以及生长素途径中的因子相互作用, 共同参与叶裂深度和小叶数目的调控(Dinneny et al, 2004; David-Schwartz et al, 2009; Bar & Ori, 2014)。
SAWTOOTH属于BEL1-LIKE HOMEODOMAIN (BLH)蛋白家族成员。SAWTOOTH1 (BLH2/SAW1)和SAWTOOTH2 (BLH4/SAW2)在侧生器官中表达, 可负调控KNOX家族基因BP的表达。saw1或saw2的单突变不引起明显的表型变化, 但saw1和saw2双突变体可使拟南芥叶片齿裂加深, 叶边缘外卷。在as1突变植株中过表达SAW1, 可抑制as1对叶表型的影响和BP在叶片上的表达。可见, BLH2/SAW1和BLH4/SAW2通过抑制一个或多个KNOX基因的表达参与叶缘形态的建成(Kumar et al, 2007)。
另外, Trifoliate (Tf)编码一个在拟南芥中与LOF1和LOF2蛋白相关的MYB-like转录因子, 它在叶缘和叶腋表达。在番茄植株的个体发育过程中, 早期叶原基中Tf表达水平增加, 促进了叶缘形态的复杂性; tf突变体的叶片明显简单化, 叶齿和叶裂减少。研究表明, Tf能影响叶基部原基中KNOX的活性, 并且, 植物生长素需要Tf的活性才能启动小叶形成。所以Tf可能通过调控KNOX以及生长素活性来影响叶缘形态发育(Naz et al, 2013)。
5 其他因子的调控途径
REDUCED COMPLEXITY (RCO)起源于一个祖先基因的重复事件, 即LMI1 (LATE MERISTEM IDENTITY 1)-like基因在十字花科的系统发育早期 (Aethionema属分化之后)发生的一次基因复制事件。此次重复产生了LMI1-type和RCO-type两个拷贝, 在碎米荠和琴叶拟南芥(Arabidopsis lyrata)等植物中, 存在两个RCO-type基因(源于RCO-type的再次重复), 但是拟南芥(A. thaliana)的基因组中却不存在RCO-type的序列(Vlad et al, 2014)。在碎米荠中RCO仅活跃在生长的叶片中, 对于叶缘形状发育有重要的影响。研究人员在比较研究了碎米荠的全裂叶与拟南芥的浅齿叶后发现, 碎米荠复杂的叶片形状可归因于RCO-type基因: 当RCO基因的功能被敲除时, 碎米荠的叶不再产生小裂片; 而将RCO转入拟南芥后, 其近圆形单叶则发育为深裂叶。形态上, 只有单个祖先拷贝LMI1-like的Aethionema arabicum与拟南芥一样也具有单叶, 因此研究人员根据系统发生分析及基因的功能分析推测, 具有复叶的碎米荠等是因为拥有发生了新功能化的RCO-type基因, 而RCO-type在拟南芥的演化过程中丢失, 导致拟南芥在形态上发生了返祖现象, 其叶片变成边缘具浅状齿的单叶(Vlad et al, 2014)。另外, 比较荠属中具不同叶裂水平的物种发现, RCO的旁系同源基因也可能参与了十字花科植物叶形多样性的形成(Bar & Ori, 2014)。
RCO调控叶裂的机制在于能确保小叶/裂片形成位置之间的叶边缘区域细胞的增殖和生长受到阻遏, 其功能仅限于对叶缘部分区域的生长起抑制作用。在碎米荠中, RCO基因缺失并不会产生除叶形变化以外的任何其他可见变化(Vlad et al, 2014)。另外, 在十字花科中, RCO并没有对生长素的运输产生影响(Vlad et al, 2014), 但它能在CUC-auxin调控模块的基础上抑制叶齿两侧细胞的生长, 从而改变齿裂的深度, 产生更多的齿裂形态式样(Runions & Tsiantis, 2017) (图1)。
综合上述叶边缘形态发育调控方面的研究进展, 概括其调控网络如图2所示。
图2 叶边缘形态发育调控网络图, 示各因子间的相互作用。实线表示已有大量研究清晰阐明的相互作用; 虚线则表示相关研究报道较少, 尚不太明确的相互作用; 橙色箭头表示促进叶齿/裂表型的形成。
Fig. 2 The molecular regulating network underlining the development leaf serration/dissection. The solid lines indicate the relatively clear interactions between molecules, while the dotted lines suggest unsure interactions reported by a few studies. The orange arrows suggest promotion of leaf serration/dissection.
6 展望
植物叶的发育是一个非常有趣的过程。首先, 叶发育的过程具有很强的可塑性, 不同的环境决定着不同的叶片大小和形态; 而另一方面, 植物叶片的发育又遵循着一个基本模式, 是一个比较保守的有序过程。叶边缘发育是叶形态建成的最后步骤(Tang et al, 2016), 很大程度上决定了植物叶形的复杂性。
近年来的研究成果揭示了叶缘的形态发育受多种调控因素的复杂调控, 如转录因子、小分子 RNA及植物激素等, 其中围绕生长素输出途径中的一些重要因子, 如CUC、TCP、SPL以及miRNAs等的研究最多, 也最为深入和成熟, 这些因子之间的相互作用关系也越来越清晰。但从进化的角度来看, 推动叶边缘或叶形变异的因素是什么?又是什么因素使得叶形的改变能长时间保持并在一个种群中被固定下来?利用RNA-seq, Ostria等(2016)发现光照能调节NAC家族基因的表达水平从而调节叶边缘复杂性。目前的研究表明, 作用于TCP活性的miR156/SPL通路对光照强度很敏感, 从而影响CUC与TCP通路之间的相互反应 (Chitwood & Sinha, 2016) (见前述), 这从另一个角度说明了这几个因子在叶边缘形态方面重要的调控作用。
随着研究的深入, 越来越多的调控因子被发现与叶边缘发育相关, 但它们在复杂调控网络中的作用机制仍不清楚。要阐明叶缘形态的多样性与其复杂易变的调控网络之间的联系, 还有很多难题有待解决。
从进化和系统发育的角度看, 植物类群形态的多样性主要源于相关的发育调控因子的作用或网络的演变。然而, 关于叶发育调控机制和网络的演化, 人们的认识还十分有限, 尚需以大量非模式植物为材料进行比较发育生物学研究。此外, 为了解影响叶缘形态变异的环境因子, 需要综合生态、遗传发育和进化生物学的研究方法, 即所谓Eco-Evo-Devo, 探求自然居群和同质种植条件下叶形的变异。随着分子生物学技术和生物信息学方法的发展, 人们有机会获取越来越多的信息, 期待着Eco-Evo-Devo这个新的综合不断揭开生物表型多样性形成和演化的神秘面纱。
作者声明没有竞争性利益冲突.
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网址: 植物叶缘形态的发育调控机理 https://m.huajiangbk.com/newsview1810254.html
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