您当前的位置:首页 > 科学研究 > 科研动态

研究揭示蒺藜苜蓿复叶模式建成的新机制

发布时间:2024-02-07
来源:植物功能基因研究组

   自然界中,植物叶片形态千差万别,其中一个最引人注目的差异就是单叶和复叶的区别。单叶只有单一叶片,而复叶由多个小叶组成。早在2300年以前,古希腊哲学家、植物学之父Theophrastus就认识到胡桃、梣木、花楸等植物的羽状叶整体上可以视为一个叶单元(Lazenby1995杨舒娅2021)。复叶因其小叶的数目和排列方式的不同,呈现出更高的形态复杂性和多样性。了解复叶形态的发育和演化机制一直以来都是植物学家关注的关键科学问题。

  典型的复叶发育过程分为:复叶共同原基起始(从茎顶端分生组织的周缘区形成凸起,复叶初级形态建成(包括三维极性建立和小叶原基的发生等),以及叶片的成熟。复叶发育的里程碑是初级形态建成阶段产生若干个独立的小叶原基,这涉及两个相互关联但不同的发育事件:小叶原基的起始和小叶原基间边界的划分。了解这些发育事件的遗传调控基础,以及这些事件是如何整合和协同进行的,是目前复叶发育研究领域的重要科学问题。 

  中国科学院西双版纳热带植物园以下简称“版纳植物园”)热带植物资源可持续利用重点实验室陈江华团队前期的研究以蒺藜苜蓿三出复叶为模型,解析了SGL1/MtLEAFY途径所关联的分子调控网络决定小叶原基起始He et al.2020Mo et al.2021)。最近,该团队在The Plant Cell杂志上在线发表了题为"GRAS transcription factor PINNATE-LIKE PENTAFOLIATA2 controls compound leaf morphogenesis in Medicago truncatula"的研究论文,进一步深入解析了复叶发育中负责整合和协调小叶原基起始和小叶边界划分两个发育事件的分子机制(He et al.2024) 

  该研究通过正向遗传学鉴定到一个新的复叶模式建成关键调控因子PINNA2,它编码一类新的GRAS转录因子。PINNA2基因特异地在所有器官边界表达,包括小叶-小叶边界区。在复叶发育过程中通过直接结合到SGL1启动子的特定区域、通过协同PINNA1和PALM1蛋白来精确调控LFY/SGL1时序表达进而介导小叶原基的有序发生研究人员通过遗传杂交获得pinna1 pinna2 palm1 elp1突变体,创制出的多级复叶苜蓿的小叶数量多达17个(图1)。因此PINNA2也是苜蓿分子育种的一个新的关键靶基因。此外研究还发现,PINNA2基因在小叶边界的表达NAM/CUC家族的MtNAM直接调控;NAM/CUC在所有陆生植物中保守而特异的调控器官边界划分。进一步的生化实验证明MtNAM蛋白结合到PINNA2启动子的多个区域,直接激活PINNA2基因的转录。综上,该研究揭示了蒺藜苜蓿复叶发育过程中的整合和协调小叶原基起始和小叶边界划分的分子机制(图2)。为进一步理解植物复叶形态建成的分子机制提供了新的线索,并为苜蓿的分子育种和改良提供了重要的理论指导和基因资源。 

  版纳植物园贺亮亮副研究员博士研究生刘野、毛亚文和硕士研究生吴心远为该论文共同第一作者,陈江华研究员为通讯作者。版纳植物园刘长宁研究员、美国俄克拉荷马州立大学Million Tadege教授也参与了部分工作。该工作得到中国科学院战略先导专项、国家自然科学基金、中国科学院西部之光交叉团队、云南省云岭学者“兴滇英才计划”等项目的资助。 

1. pinna2突变体与其他小叶数目突变体的双突和多突的复叶表型


2. 蒺藜苜蓿复叶模式建成的分子调控网络

本文作者:贺亮亮、陈江华

责任编辑:张维静
附件: