植物叶片发育及形态建成的研究进展

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(1.四川省农业科学院作物研究所，　成都 610066；　2.贵州农业职业学院，　贵州 清镇；3.贵州省农业科学院油菜研究所，　贵阳 550008；　4.四川理工学院生物工程学院，　四川 自贡 643000；5.贵州省农业科学院油料研究所，　贵阳 550008)

植物叶片是进行光合作用的主要场所，与农作物的产量密切相关，同时，植物叶片的形态结构在抗逆境胁迫应答中发挥十分重要的作用。生物学家从外观特征、内部组织及细胞结构特点，使用先进的仪器设备从不同的维度展开了比较深入的研究，植物叶片的基本结构特征主要包括叶片基部、叶片边缘、叶尖、叶脉等外观特征[1]。叶片形态特征的建成是一个非常复杂的生理生化过程，受到众多功能基因及转录调控因子的表达调控，为了研究的方便，往往划分为3个方面：细胞内调控、细胞间调控、细胞外调控，细胞内调控主要指的是基因水平的表达调控，细胞间的调控主要指的是发生在细胞与细胞之间激素水平的调控，细胞间调控主要指的是外部环境条件对植物各种生理活动的调控过程。

黄海等的研究发现，温度、光照等环境因子会引起与叶片发育及形态建成相关重要功能基因的上调或下调表达，在植物叶片发育的后期往往受到前期表达的功能基因的影响，特别是植物叶片中各种激素的浓度及在叶片各个结构组分的分布情况与前期高表达基因产物密切相关，同时，植物叶片中的激素往往又反馈调控植物叶片发育及形态建成相关功能基因及转录调控因子。植物叶片在三维空间的基本结构可分为基一顶轴向结构，即由叶片基部叶柄的位置到叶片的尖端；近一远轴向结构，即近轴面和远轴面，其中离植物茎秆较近的一面为近轴面，离植物茎秆较远的一面为远轴面；中-侧轴向结构，指的是由叶脉中轴指向叶片边缘的结构。植物叶片发育的过程包括叶原基分生组织的形成和分化，以及由叶原基最终发育成成熟叶片的整个过程。

1　植物叶片叶原基的起始

植物叶原基由茎顶端分生组织发育而来，是植物叶片发育的较早期阶段，相关研究发现众多的重要功能基因相互协调表达共同调控该生理过程。其中顶端分生组织维持干细胞状态的基本特征是KNOX1基因的高表达，(Knotted-like homeobox)基因是顶端分生组织功能的重要调控因子，改变顶端分生组织中控制发育的KNOX1基因，比如STM(STM SHOOT MERISTEM LESS)的stm突变体，顶端分生组织的发育已经完全停止，但是在愈伤组织或者是顶端分生组织能够发育出正常的叶片[3]，而KNOX基因受到另一类转录调控因子MYB超级家族基因的调控，如在最近的研究中发现玉米中克隆的基因rough sheath 2(rs 2)可有效抑制KNOX1基因mRNA在叶原基的转录过程[4]。在拟南芥的研究中发现，ASYMMETRIC LEAVES(AS 1)基因在叶片表皮细胞以及茎顶端分生组织均存在一定量的的表达，而一旦出现ASYMMETRIC LEAVES基因功能缺失叶片的发育就会出现各种各样的异常形态特征[5]。

2　植物叶片极性的建立

植物叶片极性建立是当前植物形态学研究的热点问题，绝大多数植物都会表现出十分明显的背腹特征。生物学家人为的把离植物顶端分生组织较近的一端命名为腹侧，而把离植物顶端分生组织较远的一端命名为背侧，其中叶片的背侧会随着发育的进程分化为海绵组织，而叶片的腹侧会随着发育过程的推进逐渐分化成栅栏组织[9]。叶原基分化出来以后，叶片的形态结构逐渐发生明显的变化，逐渐由最初的棒状结构发育成平板状结构，即由辐射对称发育成为两侧对称，在该发育阶段HD-ZIP超级基因家族发挥了十分重要的功能，McConnell等的相关研究表明，HD-ZIP超级基因家族的3个成员REVOL UTA基因、PHA VOL UTA和PHABULOSA基因相互协调表达共同调控了叶原基中腹性分生细胞的发育进程[6]。而Kerstetter等的相关研究表明，KANADIs和YA BB Ys基因家族共同协调表达决定了背性分生细胞的发育进程，从而影响植物叶片背部形态建成，但是具体的表达调控分子机理十分模糊[7]。

3　植物叶片的延展

在植物叶片背腹极性建立以后，叶片的发育进程逐渐推进到叶片的延展。叶片的延展是叶片发育及形态建成的后期事件，最终决定着植物叶片的形态特征。在对拟南芥一突变体augustifolia(an)的研究中发现，其叶片背腹增厚变窄，同时augustifolia(an)突变体的花出现与叶片相似的形态特征，发生这种表型变异的主要原因是分化细胞在横向方向的发育受阻，由此可以发现AN基因是调控植物叶片横向发育中重要的功能基因[8]。而Donnelly等的相关研究认为，植物叶片的发育过程主要受到细胞周期组织特异性调节，叶片的分生组织存在于叶原基的里面，在植物叶片发育及形态建成的早期阶段发挥十分关键的作用，叶片分生细胞的激活以及叶片边缘形态建成密切相关，而叶原基中分生细胞分化活性的保持未作深入的研究[9]。Grabherrmg等的相关研究表明，叶脉维管束的形态建成是REVOLUTA/INTER FASCIC FIBERLESS基因高表达的结果，叶脉维管束形成层发生在维管束的连接处[10-11]。因此，植物叶片发育及形态建成的分子基础还知之甚少，同时是有趣而富有挑战性的研究课题。

4　microRNA在植物叶片发育及形态建成中的基本功能

最近的研究发现，microRNA广泛参与了植物叶片发育及形态建成的基本过程，在植物叶片发育及形态建成中发挥了十分关键的生物学功能。例如：LAUTERN等在玉米的研究中表明，GLOSSY 15(GL 15)基因调控了玉米幼叶向成熟叶片的转变过程，GLOSSY 15(GL 15)基因高表达会使玉米叶片数目明显增加，并且导致玉米的生殖发育进程推迟。而miR 172在叶片发育的早期阶段从转录水平对GLOSSY 15(GL 15)进行表达调控，从而加速了玉米叶片的发育进程[12]。MALLORY等的研究发现，转录调控因子miR 166主要作用于Ⅲ HD-ZIP(homeodomainleucine zipper)结构域，受其表达调控的靶标基因phb和phv的突变体在叶片形态表型特征方面均出现近轴化的特点，受其表达调控的另外一个靶标基因rew突变体维管组织均发生了辐射状的形态变异[13-14]。YUI等在模式植物拟南芥的研究表明，REVOLUTA(REV)转录调控因子参与了叶片的发育及形态建成，而REVOLUTA转录因子受到了miR 165的表达调控。同时，HYPONASrlC LEAVESI结合蛋白可以在转录水平控制miR 165的表达，从而间接影响拟南芥REV基因 mRNA的表达，最终影响拟南芥叶片的形态建成；而转录调控因子TCPs受到了rniRJAw的表达调控，过量表达rniRJAw导致拟南芥的叶片发生严重弯曲并且在叶片的边缘出现锯齿状的缺刻[15]。miR 159调控的靶标基因为转录调控因子超级基因家族的2个成员MYB 33和MYB 65，MYB 33和MYB 65高表达叶片发生的高度降低，同时叶片出现卷曲及叶柄缩短的表型特征[16]。维管形成层的发育进程具有不确定性的特征，在叶片发育的过程中起着十分关键的生物学功能，MCHALE N A等在烟草的研究中表明，miR 165调控的靶标基因为PHAVOLUTA(NsPHv) A，主要通过裂解转录调控因子PHAVOLUTA(NsPHv) A从而控制维管形成层的活动过程。在phv突变体中，由于缺失miR 165的调控功能，烟草叶片维管组织出现径向变异形态[17]。miR 319主要负责对TCP转录调控因子进行表达调控，高表达miR 319将会导致植物叶片发育出现严重缺陷，同时出现开花推迟的现象[18]。高表达miR 160导致植物根发育出现严重缺陷，而缺失miR 160对靶标基因ARF 16和ARF 17的干扰抑制作用后，将导致拟南芥叶片发育出现一系列突变表型，主要表现叶片的数目增加及子叶异形[19-20]。

5　植物叶片发育及形态建成研究展望

植物在与环境因子互作的过程中，进化出异常丰富多样的形态，不同的植物叶片形态不一，同一种植物也可能差异悬殊。不同的叶片形状、不同的着生角度，对光能的利用效率不一样。相对而言，着生角度小、密度大，叶片与叶片之间相互不遮阴的作物往往可望获得高产。叶片卷曲、叶缘出现锯齿缺刻、叶片变小宽度变窄甚至特化成披针形等是植物应答逆境胁迫常常表现出来的形态特征，当前对叶片卷曲、叶片背腹极性建立的分子调控机理均有待进一步深入的研究，因此，运用生物信息学、现代分子生物学、基因组学等展开对其的研究将进一步加深对植物叶片发育及形态建成分子机制的理解，同时可望为培育高产、抗逆农作物新品种开辟新的途径。

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(本栏目责任编辑：周介雄、戴燚)