水生植物异型叶调控的分子机制研究进展

来源：水产研究所2022-09-02 15336040

“异形叶”是指同一基因型植物的叶片因环境变化而出现显著差异的现象，常见于水生植物。

异形叶是指同一基因型植物的叶片因环境变化而出现显著差异的现象，常见于水生植物。异叶植物的水生叶通常深裂，丝状或线形，叶片薄，气孔密度低或缺失。陆生叶的叶形比较简单，叶厚，维管束发达，气孔密度高。异叶是研究植物表型和生态环境适应性的理想模型。不同进化位置的外来叶植物在同一环境中具有相似的表型特征，这也为探索植物趋同进化机制提供了独特的研究模式。但由于缺乏合适的模式植物，其分子机制的研究进展缓慢，异形叶的调控机制尚不清楚。

近年来，中国科学院水生生物研究所研究员侯红伟筛选发现，爵床科水生植物异叶嗜水气单胞菌在不同环境条件下，叶片形态差异显著，具有明显的异叶特征，水生和陆生叶片差异明显(图1)。此外，这种植物还具有植株大小适宜、生长迅速、能够应对各种环境变化等优点(李等，2017)。该团队建立了稳定的平榛遗传转化体系，为探索其分子机制奠定了基础(李等，2020)。最近，该团队以平叶花为实验材料，探索了knotted 1-LIKE homebox(Knox 1)基因家族中无茎分生组织(STM)在平叶花叶形发育中的作用。遗传学证据证明HdSTM参与了异叶忍冬的发育。

发现与陆地环境相比，HdSTM在水生环境中的表达水平显著提高。原位杂交结果表明，与拟南芥等模式植物不同，STM仅局限于茎尖分生组织的表达模式，HdSTM在茎尖分生组织、叶缘锯齿或小叶中高表达，其基因表达模式随环境条件的变化而变化，表现出显著的物种特异性。该基因在拟南芥中异源过量表达，可使其产生叶裂增加等表型，调节植物器官边界和叶缘发育的杯状子叶(CUC)基因的表达也显著增加。表达HdSTM后，在陆地环境中，平叶榛的叶片形状没有明显变化，但在淹水条件下，它能迅速产生深裂的叶片。HdSTM的RNAi植株的叶形和叶序发育受阻，沉水叶的复杂程度显著降低。原位杂交显示HdSTM和HdCUC3的表达模式相似。酵母双杂交和BiFC实验证明，HdSTM和HdCUC3之间存在蛋白质相互作用，这表明HdSTM和HdCUC3可能共同调控了日本平叶的形成。本研究首次利用分子生物学证据，发现了STM参与水生植物异形叶形态发生的调控和机制(李等，2022)。

相关研究成果在线发表在《植物生理学》杂志上，题目是《Physiophila Difformis(爵床科)异嗜性中的无茎分生组织参与者》。本研究得到了国家重点科技攻关项目的资助。d计划和中国科学院国际合作计划。

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