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焦雨鈴研究組在複葉形態建成研究中取得新進展

  葉片是植物體與環境之間進行物質交換和能量轉化的重要器官。高等植物的葉片有單葉和複葉之分。單葉在一個葉柄上著生單個葉片,例如擬南芥的葉;複葉在一個葉柄上著生多個小葉 (leaflet),例如番茄的葉。在單葉的發育中,葉片邊緣帶有分生組織屬性的區域被稱爲葉緣分生組織(marginal meristem), 負責葉片的伸展。而在複葉發育中,葉緣分生組織同時負責小葉的起始和伸展,並且兩個過程都依賴生長素。一個重要的生物學問題是,葉緣分生組織是否獨立地調控小葉起始和小葉伸展這兩個發育過程?兩個發育過程之間是否相互影響? 

 

  中國科學院遗传与发育生物学研究所焦雨铃研究组长期致力于解析叶片扁平化和极性建立的调控机制,特别关注转录因子、植物激素与生物力学在此过程中的作用 (Qi et al., 2014, PNAS; Guan et al., 2017, Current Biology; Qi et al., 2017, Nature Plants)。在前期的研究中,焦雨鈴研究組發現生長素信號通路和WOX1/PRS基因在葉片展開中發揮重要作用 (Guan et al., 2017, Current Biology)。在本研究中,該研究組利用CRISPR/Cas9基因編輯和EMS誘變得到多個番茄wox1突變株系 (命名爲sllam1),研究了番茄複葉形態建成中小葉起始和伸展的關系。SlLAM1在番茄葉緣分生組織區特異表達,並且是小葉原基伸展所必需的。sllam1突變體小葉伸展嚴重受阻,小葉形態極度狹窄。在形態建成早期,sllam1突變體葉緣區生長素響應減弱,小葉起始比野生型延遲。然而,在形態建成後期,sllam1突變體發育出更多的一級小葉;雖然二級小葉數目減少,但小葉總數與野生型無顯著差異。這一結果表明,小葉起始和伸展是兩個獨立調控的發育過程,小葉伸展的缺陷並不影響小葉起始能力。對SlLAM1和生長素通路重要基因的突變體分析表明,SlLAM1在調控複葉模式這一功能上位于生長素通路的下遊。此外,該研究還揭示SlLAM1在調控花器官發育和雌配子體育性中具有重要功能。 

 

  該研究結果于202095日發表于The Plant Journal雜志 (DOI:10.1111/tpj.14982)。焦雨铃研究组博士后杜斐和中國科學院大学本科生莫亚金为该论文共同第一作者,杜斐为通讯作者。该研究在焦雨铃研究员和以色列希伯来大学Naomi Ori教授指導下完成。本項工作得到了國家自然科學基金委、中科院前沿科學重點研究項目等課題資助。 

 

圖:(a) sllam1突變體小葉伸展受抑制,但小葉起始能力和小葉總數不受影響。(b-c) SlLAM1在葉原基 (b) 和花器官原基 (c) 邊緣分生組織區特異表達。(d-e) SlLAM1促進多種類型葉性器官(例如花瓣)的伸展。(f-g) sllam1突變體心皮(藍色)伸展受抑制無法融合,導致胚珠(紅色)外露。此外,sllam1突變體形成多個花柱(黃色)並導致雌配子體不育。(h-i) 心皮融合受阻導致sllam1突變體果實開裂表型。