植物叶发育的分子机理
严松, 严长杰, 顾铭洪
扬州大学农学院, 江苏省作物遗传生理重点实验室, 教育部植物功能基因组学重点实验室, 扬州 225009
摘要: 叶是植物进行光合作用和蒸腾作用的主要场所, 对植物的生长发育具有重要的作用。叶的发育包括叶原基的形成和极性的建立计算机分几级, 大量研究表明, 叶发育建成受到众多转录因子、小分子RNA以及生长素等因子的调控。文章综述了近年来叶发育和形态建成的分子机制研究进展, 以期了解叶发育的调控网络。
关键词: 叶发育; 形态建成; 基因调控
Molecular mechanism of leaf development
YAN Song, YAN Chang-Jie, GU Ming-Hong
The Key Laboratory for Plant Functional Genomics, Ministry of Education; The Jiangsu Pro
vince Key Laboratory of Crop Physiology and Genetics; Agricultural College, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu
Abstract: Leaf plays important roles during plant development for their function of photosynthesis and transpiration. Leaf development includes initiation of leaf primordium and establishment of leaf polarity. Various studies indicate that leaf development is controlled through the interaction of transcription factors, small RNAs and auxin. This review focus on recent advances in studying on leaf development and morphogenesis, and provides information on the regulation network in the process.
Keywords: leaf development; morphogenesis; gene regulation
叶是植物进行光合作用的主要器官, 对植物的生命活动起着重要的作用。叶的发育是植物形态建成的一个重要方面, 与植物株型的形成密切相关。探明叶的发育机理, 不仅能使我们更多地了解植物叶的发育机制, 而且能帮助我们通过生物设计对株型进行改良。因此, 对叶发育机理进行深入的研究具有重要的理论意义和应用价值。年少不识愁滋味
叶的形态构造看起来很简单, 但其发育的调控机理却十分复杂。决定叶的发育进程主要有两个因素: 环境因素和植物体内严格的遗传调控, 但这些因素的作用并不是孤立的, 它们之间有着错综复杂的关系, 共同影响叶的发育。
从发育进程看, 叶的发育包括叶原基在茎顶端分生组织(Shoot apical meristem, SAM)的形成和分化, 以及之后从叶原基分化出来的叶片的发育。叶片的形态包括叶形、叶尖、叶缘、叶基和叶脉等外部特征。典型的成熟单叶(相对于复叶而言)有3个不对称轴: 基-顶轴(由叶的基部指向尖部); 腹-背轴(亦称近-远轴, 面向茎的为近轴面, 背向茎的为远轴面)和中-边轴(从叶的主脉指向边缘)[1]。体内的遗传机制和体外的环境因子正是沿着这3个轴向来调控叶的发育和形态建成的[2]。
近年来, 随着分子生物学手段和突变体研究技术的广泛应用, 各国科学家借助于双子叶植物拟南芥、金鱼草和单子叶植物玉米等一些模式植物广泛地进行了叶发育的研究, 取得了一系列重要进展。
1 叶原基的发育
SAM是叶和茎组织的发源地[3, 4]。在SAM的中央, 有一团缓慢分裂的细胞, 组成SAM的中心区。这些细胞始终处于非分化的状态, 具有持续分裂能力, 是植物生长发育的干细胞。在SAM中心区的外围, 细胞分裂的速度明显加快, 这些快速分裂的细胞, 组成了SAM的周边区。在周边区里, 有一些成簇的细胞性质开始发生变化, 这些细胞称之为“起始细胞”(Founder cell)。起始细胞的分裂速度非常快, 侧生器官的原基就是通过起始细胞的分裂形 成的[5]。
目前, 拟南芥、玉米和金鱼草的分子遗传学研究, 已经揭示了叶原基发育的两个机制(图1)。
图1 叶原基发育的调控因子示意图[28]
PIN1信号分布在分生组织(m)的外表皮细胞中, 引导生长素向分生组织的顶端运输(虚线箭头所示)。KNOX基因在整个SAM中表达, 而且受生长素调节。在叶原基形成过程中, 生长素和AS1共同抑制KNOX基因家族的BP基因, 促进叶的发育。此外, AS1负调控KNOX基因家族的KANT2和KANT6的表达, 但这两个KNOX基因与生长素活性的关系仍不大清楚。KNOX基因家族的STM负调控AS1的表达。T标识表示负调控。
Fig. 1 A cartoon depicting the factors controlling leaf initiation[28]
PIN1 is localized in the epidermal cells of the meristem (m) and involved in the transport of auxin flux to the apical cells of the meristem. KNOXgenes are expresd throughout the SAM and down-regulated in respon to auxin. BP gene is one of KNOX family and its expression is represd by Auxin and AS1, and leaf development is promoted through this repression. Other two KNOX少年的烦恼genes, KANT2 and KANT6, are also negatively regulated by AS1, however, the regulation of the two genes with auxin is to be clarified. T bars indicate negative regulation.
第一个机制是KNOX(KNOTTED1-like homeobox)家族的基因对SAM的维持, 这个过程牵涉到KNOX与含MYB结合域的ARP蛋白[ASYMMETRIC LEAVES1(AS1), ROUGH SHEATH2 (RS2), PHANTASTICA(PHAN)]的相互抑制[6~11]。在单子叶和双子叶植物中, KNOX基因都参与了SAM的维持。拟南芥中在SAM中表达的KNOX基因有4个: KNAT1、KNAT2、KNAT6和STM[12]。水稻中已报道的KNOX基因有10个: Oskn2、Oskn3、OSH1(Oryza sativa Homeobox1)、OSH3、OSH6、元旦绘画OSH10、OSH15、OSH16、OSH43和OSH71[13~18]。如果这些基因持续表达, SAM的特征将会一直保持下去, 但是在随后的叶原基发育和叶片发育过程中, KNOX基因在SAM中一直处于沉默状态, 因为它们受到了ARP蛋白以及它们的辅助因子蛋白, 即LATERAL ORGAN BOUNDARIES(LOB)一类的AS2蛋白的抑制。
另一个机制是, PIN-FORMED1(PIN1)和PINOID (PID)控制叶边界的形成, 但它们并不是在拼音怎么写SAM形成和维持所必需的基因。利用吲哚类生长素处理叶原基局部的顶端分生组织时, 生长素的运输受到PIN1和PID的调节, 从而引起叶的分界(Leaf delimitation)[19~23]。拟南芥pin1突变体的子叶常融合在一起或表现其它变形、部分叶片宽大、叶序紊乱而且花序呈针
状排列, 它的表型是由生长素极性运输过程中的外运载体PIN1失活所造成的[20]。在pin1花原基的分生组织侧面点施IAA, 该处能够长出一个新的花原基; 在分生组织中心点施IAA, 花原基会以此为中心形成一个环状分界[21, 22]。 PID在子叶原基的边界表达, 它的转录受外源生长素诱导影响。pid突变体子叶表型与pin1相似, 但与pin1不同的是, pid子叶融合的情形较少, 突变体大多表现子叶数目增加或减少, 从而破坏子叶的对称发育。pin1pid双突变体子叶完全消失, 但SAM的功能正常, 能够形成叶原基, 然而这些叶原基却表现叶序异常, 而且多彼此融合[23]。这两个基因的功能研究表明, PIN1和PID作用冗余, 它们不仅控制叶的边界形成, 而且调控子叶的生长发育。
最近的研究发现, 生长素和ARP/KNOX蛋白在叶发育中的作用途径是相互联系的。在器官特化早期, PIN1和KNOX基因在SAM中表达的区域几乎互为补充[19]。此外, 生长素信号或PIN1活性受KNOX基因家族的BP(BREVIPEDICELLUS)基因表达的负调控, 说明KNOX基因的表达调节生长素的极性运输[24, 25]; 亦有研究表明, 生长素的积累会抑制KNOX基因, 如SHOOT MERISTEMLESS(STM)基 因[26], 因而推测, KNOX蛋白和生长素通过相互作用建立了一个反馈环, 两者之间的平衡关系影响了叶分生组织的分界。近来研究发现, STM
基因的表达直接受到PcG(Polycomb group)家族蛋白CURLY LEAF(CLF)和SWINGER(SWN)的抑制, 而这两个蛋白具有组蛋白转甲基酶活性, 说明KNOX的表达调控也存在表观遗传因素[27]。
2 基-顶轴(Proximo-distal axis)发育
在双子叶植物烟草和拟南芥中, 营养叶包括远端的叶片和靠近基部的叶柄。在单子叶植物玉米和水稻中, 叶包括远端的叶片和靠近基部的叶鞘。玉米、水稻的叶片与叶鞘的分界是叶环, 以对应于该位置生长的叶舌及其两边的叶耳为显著标志。
玉米中已发现了不少叶舌不发育或发育不正常的突变体, liguleless1(请假函lg1)突变体在苗期叶舌发育与野生型没有显著差异, 成熟叶片的叶舌显著变短甚至完全消失[29], 它的表型是细胞自发的[30]。LG1编码一个SPL(SQUAMOSA promoter-binding protein-like)蛋白, 主要在刚发育叶的叶舌区表资本运营管理 达[31]。水稻中的同源基因OsLG1与LG1具有相似的功能[32]。
玉米liguleless2(lg2dnf职业推荐)突变体一般没有叶舌和叶耳, 或叶环发育不正常、叶舌和叶耳异位发育。LG2编码一个碱性亮氨酸拉链蛋白, 它的表达时间比LG1早, 可能决定幼叶原基的叶环
的正确起始[33]。lg2的表型是非细胞自发的, 对lg1lg2双突变体的分析表明, 两者可能在同一个代谢途径中发挥 功能[34]。
