生物多樣性主要體現(xiàn)在物種的豐富性。從形態(tài)學(xué)角度看，物種多樣性表現(xiàn)在物種不同組織器官的形態(tài)差異性，相同物種具有類似組織結(jié)構(gòu)形態(tài)而不同物種之間則存在明顯差別。早期生物分類學(xué)研究的依據(jù)主要來自生物組織器官結(jié)構(gòu)的形態(tài)差異。雖然隨著研究方法的更新與發(fā)展，例如分子生物學(xué)、基因組學(xué)等方法介入，生物分類學(xué)得到長足發(fā)展，然而生物形態(tài)結(jié)構(gòu)依然是最根本的判斷依據(jù)。

植物葉片形態(tài)是植物分類的主要依據(jù)，同時也是研究植物多樣性的理想模型。植物葉片分類有很多種，根據(jù)葉柄上著生葉子數(shù)量可以分為單葉和復(fù)葉（下圖）【1】。根據(jù)葉片葉緣形態(tài)，單葉又可以分為葉緣平整無裂葉片（如擬南芥第一個真葉）、含有一些小的淺裂葉片（如成熟的擬南芥葉片）以及大的深裂葉片（如琴葉擬南芥葉片）等葉形分類。復(fù)葉根據(jù)葉柄上著生的小葉情況分為羽狀復(fù)葉（如碎米薺葉片）以及二回羽狀復(fù)葉（如番茄葉片）等。從形態(tài)上觀察單葉葉柄上只著生一個葉片，當(dāng)葉片上出現(xiàn)全裂的葉緣時，其形態(tài)類似復(fù)葉。

葉片形狀的多樣性是由葉緣的改變而產(chǎn)生的。近年來，一些基因影響葉形態(tài)發(fā)育的分子機(jī)制被逐步揭示。2008年，法國國家農(nóng)業(yè)研究所Patrick Laufs團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)邊界基因NAM/CUC (NO APICAL MERISTEM / CUP-SHAPED COTYLEDON)調(diào)節(jié)葉緣發(fā)育【2】。該研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)在4種較遠(yuǎn)緣雙子葉植物中CUC基因在相應(yīng)的物種中具有相似表達(dá)模式（均在遠(yuǎn)端小葉原基邊界表達(dá)），沉默及突變相應(yīng)的CUC同源基因均導(dǎo)致抑制葉邊緣生長，結(jié)果減少小葉的數(shù)量甚至融合成為一個葉片。2014年，德國馬普育種研究所Miltos Tsiantis團(tuán)隊通過比較兩個較近物種擬南芥與碎米薺的葉子形態(tài)（上圖），通過遺傳篩選在碎米薺中鑒定到一個影響葉邊緣發(fā)育的基因RCO (REDUCED COMPLEXITY )【3】。RCO是在十字花科植物中通過基因復(fù)制進(jìn)化而來的，而在十字花科植物擬南芥中丟失，表明該基因是影響單葉與復(fù)葉形態(tài)發(fā)育差異的關(guān)鍵基因。該基因的鑒定揭示了在進(jìn)化過程中通過調(diào)控基因的復(fù)制和丟失相結(jié)合，產(chǎn)生了葉片形態(tài)多樣性。

雖然在一些物種中調(diào)節(jié)器官多樣性的關(guān)鍵基因被發(fā)現(xiàn)，然而植物器官在細(xì)胞水平發(fā)育的差異是如何體現(xiàn)的，基因是如何通過影響細(xì)胞生長來調(diào)節(jié)植物器官形態(tài)以及在進(jìn)化過程中基因的活性如何改變生長、發(fā)育模式以及分化產(chǎn)生器官的多樣性等等問題尚不清楚。近日，德國馬普育種研究所Miltos Tsiantis團(tuán)隊在Cell期刊上發(fā)表了題為A Growth-Based Framework for Leaf Shape Development and Diversity的研究論文。該研究主要通過實(shí)時成像、建模和遺傳學(xué)方法解析了在細(xì)胞水平上呈現(xiàn)出擬南芥的單葉與碎米薺的復(fù)葉發(fā)育的差異性，發(fā)現(xiàn)了葉的形態(tài)產(chǎn)生依賴兩種生長模式：細(xì)胞分化廣泛存在在器官中的生長模式以及葉緣局部定向的生長模式。最終揭示兩種葉形差異由兩個關(guān)鍵的同源盒結(jié)構(gòu)基因STM (SHOOTMERISTEMLES)以及RCO的活性所決定的。

Miltos Tsiantis研究團(tuán)隊主要利用遺傳學(xué)、生物成像、基因組學(xué)和構(gòu)建模型等方法相結(jié)合，試圖解決生物學(xué)中的兩個基本問題：生物形式是如何發(fā)展的，以及它們多樣性的基礎(chǔ)是什么。

該研究中，研究人員為了簡化研究過程，選取了相對簡單的擬南芥單葉以及碎米薺復(fù)葉為研究對象。通過延時攝像記錄兩個不同物種葉片從出現(xiàn)到7-8天（DAI, days after initiation）的細(xì)胞生長發(fā)育全過程，并且根據(jù)以前數(shù)據(jù)構(gòu)建了完整葉細(xì)胞譜系圖。為了更好直觀體現(xiàn)細(xì)胞譜系發(fā)育過程，研究人員量化了細(xì)胞生長參數(shù)，包括：生長量（細(xì)胞區(qū)增長的速率）、方向性（細(xì)胞主要生長的方向）以及細(xì)胞的增殖。為了評估組織的分化程度，研究人員還測量了細(xì)胞大小、氣孔密度以及平面細(xì)胞的幾何機(jī)構(gòu)等數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)兩個物種葉片在細(xì)胞水平的生長差異最終導(dǎo)致葉形態(tài)不同。雖然葉形差異較大，但是它們發(fā)育具有三個共同生長特征：（1）葉片起始發(fā)育（1-3 DAI）期間，葉原基生長具有均勻性和各向異性（細(xì)胞生長方向差異大）；（2）起始發(fā)育之后（約3-4DAI），葉邊緣生長發(fā)育模式的建立伴隨葉緣突起的產(chǎn)生；（3）接著，與向基性（basipetal）分化過程相關(guān)且組織依賴性生長模式出現(xiàn)主要包括發(fā)生在葉片中的各向同性生長和同時發(fā)生的葉周圍邊緣、中脈和葉柄的各向異性生長。

為了鑒定細(xì)胞生長分布的差異產(chǎn)生這些不同的葉形，研究人員計算并比較了兩個物種從3到7天（3-7 DAI）中生長和增值的細(xì)胞系。發(fā)現(xiàn)在碎米薺葉片中生長增殖的細(xì)胞主要在遠(yuǎn)端而擬南芥葉片主要發(fā)生在基端。這個差異可能與碎米薺葉片增加葉緣生長以及整體延遲分化有關(guān)。為了進(jìn)一步研究兩個物種葉形差異，研究人員分析了兩種葉緣產(chǎn)生突起的差異。結(jié)果表明，復(fù)葉與單葉不同主要體現(xiàn)三個關(guān)鍵之處：(1) 突出生長起始位置不同（復(fù)葉在中脈而單葉在葉片上）；(2) 抑制葉緣產(chǎn)生突起的基部生長位置不同；(3)整體生長模式的改變不同，即碎米薺中，整體細(xì)胞分化相比擬南芥較遲。這與在碎米芥葉片中外側(cè)面和遠(yuǎn)端生長增加以及減少近端和內(nèi)側(cè)區(qū)域?yàn)樘卣鞯纳L從而產(chǎn)生小葉有關(guān)。因此，整體細(xì)胞分化因素和局部細(xì)胞生長因素相互作用影響葉片生長從而產(chǎn)生葉形的差異。

已有研究表明生長素極性分布影響葉突起的形成，該研究也證明了該結(jié)論。通過表達(dá)定位發(fā)現(xiàn)，PIN1主要在擬南芥葉片突起處特異表達(dá)。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在擬南芥中抑制生長素的轉(zhuǎn)運(yùn)以及PIN1的缺失突變均不會產(chǎn)生葉緣突起，這與CUC2缺失突變表型一致。從而提出了擬南芥葉緣發(fā)育模式可能是由Auxin-PIN1-CUC2分子模塊調(diào)控的。為了研究該分子模塊調(diào)控葉緣模式與葉片生長的關(guān)系，研究人員通過建模與延時攝像結(jié)合的方法發(fā)現(xiàn)了由于PIN1的運(yùn)輸，生長素在突起處積累達(dá)到最高濃度使得生長加速，而臨近處CUC2特異表達(dá)的組織生長受到抑制，這種差異生長促使葉緣突起的產(chǎn)生。該結(jié)果表明，生長素、PIN1以及CUC2參與的葉緣生長模式調(diào)節(jié)葉片局部生長從而影響擬南芥葉形。

研究人員還通過探討了影響突起生長的參數(shù)揭示整體以及局部生長是如何相互作用產(chǎn)生碎米薺的小葉形態(tài)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個核心基因包括局部作用的RCO以及整體作用的STM相結(jié)合從而增加葉片復(fù)雜性。STM主要參與植物葉片整體細(xì)胞增殖與分化，而RCO在小葉發(fā)生起始基部表達(dá)從而局部抑制非小葉組織中細(xì)胞的生長從而調(diào)節(jié)碎米薺葉緣發(fā)育過程。擬南芥中分別異位表達(dá)STM與RCO均會使葉緣產(chǎn)生異常且多的突起而在碎米薺中缺失兩個基因都會對均影響小葉的形成。這些結(jié)果表明，葉片分化減緩以及細(xì)胞緩慢生長能夠維持葉緣產(chǎn)生更多的突起。

總的來說，擬南芥單葉與碎米薺復(fù)葉葉形態(tài)差異主要體現(xiàn)在：1. 葉片整體上碎米薺的分化程度低于擬南芥；2. 在細(xì)胞水平上，碎米薺細(xì)胞增殖主要在遠(yuǎn)端擬南芥葉片細(xì)胞增殖主要在基部葉片組織中；3. 在基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控水平上，碎米芥葉片中特異表達(dá)基因STM以及RCO相互作用直接導(dǎo)致復(fù)葉形態(tài)中小葉的產(chǎn)生。結(jié)合Auxin-PIN1-CUC2分子模塊調(diào)控葉緣發(fā)育的因素，研究人員構(gòu)建了植物從葉緣無裂的完整單葉通過植物內(nèi)源信號調(diào)控以及基因選擇性表達(dá)相結(jié)合逐步發(fā)育產(chǎn)生復(fù)葉的過程，這為葉形態(tài)進(jìn)化差異過程提供分子依據(jù)。

綜上，該研究通過延時攝像與遺傳學(xué)方法并輔助計算機(jī)建模揭示了基因表達(dá)的差異性影響細(xì)胞生長過程，最終導(dǎo)致兩個物種中單葉與復(fù)葉形態(tài)產(chǎn)生差異的原因，并且通過在基因表達(dá)上的修飾，在擬南芥中再現(xiàn)了類似碎米薺復(fù)葉的形態(tài)。該研究首次從細(xì)胞水平完整展現(xiàn)了單葉與復(fù)葉的精細(xì)發(fā)育過程，為更加復(fù)雜的整體植物多樣性提供方法及理論基礎(chǔ)。同時，隨著植物研究新方法的應(yīng)用包括單細(xì)胞測序、基因組學(xué)以及延時攝像技術(shù)等，給植物形態(tài)發(fā)育與進(jìn)化研究注入了更強(qiáng)生命力。

碎米薺簡介：碎米薺（拉丁名字：Cardamine hirsuta）屬于十字花科，一年生草本，高6-25厘米，無毛或疏生柔毛。莖1條或多條，不分枝或基部分枝?；~有柄，單數(shù)羽狀復(fù)葉，小葉1-3對，頂生小葉圓卵形，長4-14毫米，有3-5圓齒，側(cè)生小葉較小，歪斜，莖生葉小葉2-3對，狹倒卵形至條形，所有小葉上面及邊緣有疏柔毛?？偁罨ㄐ蛟诨〞r成傘房狀，后延長；花白色，長2.5-3毫米；雄蕊4(-6)。長角果條形，長18-25毫米，寬約1毫米，近直展，裂瓣無脈，宿存花柱長約0.5毫米；果梗長5-8毫米；種子1行，長方形，褐色。分布在沿長江一帶，東至福建，西南至云南；亞洲其他地區(qū)，歐洲，非洲及美洲也有。生于草坡或路旁。

碎米薺圖鑒（來源網(wǎng)絡(luò)）

參考文獻(xiàn)

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原文鏈接：

https:///10.1016/j.cell.2019.05.011