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焦雨鈴研究組發現調控植物器官塑形的生物力學機制

  扁平化是葉片等植物器官最爲常見的形狀之一。另一種常見的器官形狀是輻射對稱,如根、莖。不同的器官形狀如何産生是一個基本的發育生物學問題。多年來的分子遺傳學研究發現了衆多能夠影響植物器官形態的基因,但是這些基因怎樣介導器官三維形態的變化(又稱塑形)尚有待解析。 

 

  中國科學院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室焦雨铃研究组长期致力于植物器官塑形的研究。近年来,研究组综合分子遗传学、活体成像和数学建模等方法,着力研究叶片扁平化形成的机制 (Qi et al., 2014 PNAS; Qi et al., 2017 Nat. Plants; Guan Qi et al., 2017 Curr. Biol.; Du and Jiao, 2020 Curr. Opin. Plant Biol; Zhou et al., 2020 JIPB; Du et al., 2020 Plant J.)。該研究組在前期研究中發現,細胞壁化學和力學性質的差異是影響器官塑形的關鍵因素。在葉片形態建成早期,葉原基不同區域細胞壁果膠修飾的差異會改變細胞壁力學屬性,並進一步導致細胞生長差異和器官不對稱性的建立。那麽,葉片如何在此基礎上進一步生長,形成高度扁平化的形態?這一過程主要受到何種機制的調控? 

 

  本項研究以擬南芥和番茄多種類型的葉性器官(子葉、真葉、萼片)爲對象,研究器官扁平化形態建立的機制。結合生物學實驗和三維力學建模,研究發現葉片扁平化過程依賴于細胞內周質微管沿最大應力方向平行于葉片背腹軸排列。周質微管通過介導纖維素的沈積方向,引起細胞不同方向細胞壁力學屬性的差異,最終導致細胞的各向異性生長和分裂。葉片邊緣特異調控因子在促進葉片原基打破輻射對稱,産生初始的扁平化。微管介導的應力反饋放大初始的扁平化,形成高度扁平化的葉片。對于未打破輻射對稱的器官,應力反饋進一步維持輻射對稱,並促進沿對稱軸的生長,産生圓柱形器官。因此應力反饋可以解釋兩種主要器官形狀的形成機制。兩種器官形狀的差異來源于發育早期是否打破了輻射對稱。 

 

  該研究結果于2020910日以長文(Article)形式發表于Current Biology雜志(DOI:10.1016/j.cub.2020.07.076)。編輯部還邀請康奈爾大學Adrienne Roeder教授爲文章撰寫了評述。裏昂高等師範學院博士後趙峰,焦雨鈴研究組博士後杜斐,裏昂高等師範學院Hadrien Oliveri博士,甯波大學周呂文博士和裏昂高等師範學院Olivier Ali博士爲該論文共同第一作者,焦雨鈴研究員和裏昂高等師範學院Jan Traas教授爲通訊作者。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、歐洲研究委員會先進項目等課題資助。 

    

圖:微管介導的細胞壁各向異性調控葉片扁平化形態建成