扁平化是葉片的典型特征，也是植物高效光合作用的基礎(chǔ)，其建立機(jī)制是發(fā)育生物學(xué)研究的難點。60多年前的經(jīng)典顯微切割實驗發(fā)現(xiàn)，葉片扁平化依賴于莖尖分生組織產(chǎn)生的可移動信號，稱為Sussex信號。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院焦雨鈴教授課題組在之前的研究中發(fā)現(xiàn)莖尖的生長素極性運(yùn)輸介導(dǎo)了Sussex信號（Qiet al., 2014 PNAS），還發(fā)現(xiàn)葉片原基中生長素信號促進(jìn)葉緣的建立和扁平化發(fā)育（Guan et al., 2017 Curr. Biol.）。然而，莖尖的生長素極性運(yùn)輸如何影響葉片原基內(nèi)的生長素分布、極性基因表達(dá)以及葉片扁平化發(fā)育等還尚不清楚。

2022年12月5日，焦雨鈴課題組與西班牙馬德里理工大學(xué)Krzysztof Wabnik研究員課題組合作在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表了題為“Polar auxin transport modulates early leaf flatterning”（DOI: 10.1073/pnas.2215569119）的研究論文，結(jié)合實驗觀察和計算機(jī)模擬，揭示了源自莖尖分生組織的生長素極性運(yùn)輸能夠在葉片原基內(nèi)部兩側(cè)形成信號高點，激活葉片扁平化關(guān)鍵基因SlLAM1在葉緣的表達(dá)，促進(jìn)葉片原基兩側(cè)對稱形態(tài)的建立。該課題組之前的研究表明，兩側(cè)對稱形態(tài)一旦建立，微管介導(dǎo)的應(yīng)力反饋將維持并放大兩側(cè)對稱形態(tài)，形成扁平寬大的葉片（Zhao et al., 2020 Curr. Biol.）。

利用活體成像技術(shù)，本研究發(fā)現(xiàn)通過顯微手術(shù)切割和藥物處理阻斷生長素極性運(yùn)輸，會擾亂生長素外運(yùn)蛋白PIN1向葉原基兩側(cè)的匯聚，降低葉原基中的生長素響應(yīng)水平，特別是兩側(cè)葉緣的生長素響應(yīng)，使指示生長素響應(yīng)的DR5不再出現(xiàn)于葉緣。進(jìn)而，葉緣表達(dá)的SlLAM1響應(yīng)生長素分布變化，由葉緣表達(dá)轉(zhuǎn)向近軸面表達(dá)（圖1），導(dǎo)致葉片原基由兩側(cè)對稱變?yōu)檩椛鋵ΨQ，無法形成扁平化葉片。本研究還觀察到手術(shù)切割造成的損傷可以促進(jìn)近軸面極性決定因子SlREV蛋白的降解。此外，計算機(jī)模型模擬預(yù)測早期葉原基中的生長素合成量可能影響葉原基對莖尖生長素供應(yīng)的依賴，從而解釋為何在番茄、馬鈴薯中顯微手術(shù)影響葉片扁平化，而在擬南芥中則無影響。

圖1. 顯微手術(shù)切割后葉緣表達(dá)的SlLAM1轉(zhuǎn)為近軸面表達(dá)

上述研究闡釋了生長素運(yùn)輸如何參與新生葉片原基的扁平化建立，揭示了在生長素信號空間分布的重要性及其對中-邊軸極性基因SlLAM1表達(dá)模式的時空調(diào)控（圖2）。該研究加深了我們對葉片扁平化建立機(jī)制的認(rèn)識。葉片扁平化的程度不僅通過改變光合作用面積影響作物產(chǎn)量，也通過作用于葉片蒸騰作用影響作物耐旱性。對扁平化建立機(jī)制的認(rèn)識將服務(wù)于作物的分子設(shè)計育種。

圖2. 極性運(yùn)輸介導(dǎo)生長素響應(yīng)及葉片發(fā)育基因表達(dá)模式變化的模式圖

中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所的博士畢業(yè)生王清清、西班牙馬德里理工大學(xué)博士后Marco Marconi和中科院遺傳發(fā)育所的關(guān)春梅副研究員為該論文的共同第一作者，焦雨鈴和Krzysztof Wabnik為論文的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)計劃、王寬誠教育基金等項目的資助。該研究還是中國-西班牙植物和環(huán)境互作聯(lián)合中心（CEPEI）支持項目。

來源：北京大學(xué)