植物叶缘形态的发育调控机理

生物多样性研究的关键问题之一是表型多样性的形成和演化机制, 因为表型多样性与物种多样性密切相关, 同时又承载着遗传和环境的变异信息。植物的叶具有丰富的形态多样性, 而叶形多样性很大程度上体现在叶边缘形态的变异。叶边缘的形态可从全缘、锯齿状到具有不同程度(深浅)和不同式样(羽状或掌状、回数等)的裂片(在发育研究中复叶的小叶也描述为裂片)。关于叶缘齿/裂的发育调控机制, 在拟南芥(Arabidopsis thaliana)、碎米荠(Cardamine hirsuta)、番茄(Solanum lycopersicum)等模式植物中已有较深入的探讨。研究发现, 很多转录因子、小分子RNA及植物激素对叶齿/裂或小叶的形成具有调控作用, 其中生长素输出途径中的转录因子NAM/CUC、miR164以及高浓度生长素的反馈调控可能起到核心作用, 而且该调控模块在真双子叶植物中较为保守; TCP类、SPL类转录因子和其他一些miRNA也在生长素输出途径中发挥作用; 关于KNOX家族转录因子的作用, 虽然多数研究是围绕复叶的形态建成, 但也有数据显示其在叶裂发育中发挥作用。此外, 对拟南芥和碎米荠等十字花科植物的研究还发现, 调控基因RCO通过抑制小叶/裂片之间的细胞增殖而对小叶/叶裂的发育发挥作用。本文综述上述多角度的研究进展, 并尝试概括叶边缘形态的发育调控网络, 为关于叶缘形态多样性形成机制的研究提供可参考的切入点。     

ARF和Aux/IAA调控果实发育成熟机制研究进展

生长素是调控果实发育成熟的重要植物激素之一。在生长素介导的信号转导机制中,ARF和Aux/IAA扮演重要的角色。ARF与生长素响应基因启动子区域内的生长素响应元件结合,促进或抑制基因的表达。Aux/IAA通过结构域Ⅲ和Ⅳ与ARF特异性结合,从而调节生长素早期应答基因的转录功能。研究表明,ARF因子参与调控果实形态发育、硬度和糖分积累等,Aux/IAA因子在授粉、果实形态发育等方面作用明显。此外ARF和Aux/IAA之间相互或与自身发生的互作以调控下游基因表达是植物体响应生长素信号的主要机制。介绍了ARF和Aux/IAA的结构特征、在不同植物中的分布状况以及与果实发育成熟的关系,同时讨论了ARF和Aux/IAA互作的研究现状,旨为进一步阐明生长素调控果实发育成熟的机制提供参考。     

拟南芥突变体在生长素信号传导中的研究进展

近年来,在植物激素的信号传导研究上已取得突破性进展.生长素的信号传导通路研究除了在生长素结合蛋白(ABP)上有所进展外,在生长素应答基因(Aux IAA),生长素调节因子(ARF)以及感应突变体的研究上也取得较大进展.对生长素运输通路及PIN1蛋白的功能和其抑制剂的研究也使对生长素信号传导的认识更清楚.生长素应答基因(Aux IAA)是生长素处理后快速诱导的基因.Aux IAA蛋白具有组织特异性(例如SAU蛋白)可以用来研究外源激素对植物生长发育的影响.生长素调节因子(ARF)与生长素应答基因的启动子序列具有特异性结合,Aux IAA蛋白与生长素调节因子(ARF)相互作用,并引发一系列蛋白质降解.使用转基因的拟南芥突变体,能有效地研究生长素在植物体内的特异性分布.借助运输载体抑制剂,可以对生长素的极性运输有更深入的了解.已经证明PIN蛋白参与生长素运输并与肌动蛋白有关.而且生长素参与了赤霉素介导的植物伸长反应.     

植物Aux/IAA基因家族生物学功能研究进展

生长素是最重要的植物激素之一, 对植物生长发育起着关键调控作用。生长素作用于植物后, 早期生长素响应基因家族Aux/IAA、GH3和SAUR等被迅速诱导, 基因表达上调。其中Aux/IAA基因家族编码的蛋白一般由4个保守结构域组成, 结构域I具有抑制生长素信号下游基因表达的作用, 结构域II在生长素信号转导中主要被TIR1调控进而影响Aux/IAA的稳定性, 结构域III/IV通过与生长素响应因子ARF相互作用调控生长素信号。Aux/IAA基因家族在双子叶植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)的器官发育、根形成、茎伸长和叶扩张等方面发挥重要作用; 在单子叶植物水稻(Oryza sativa)和小麦(Triticum aestivum)中, 主要影响根系发育和株型, 但大多数Aux/IAA基因的功能尚不清楚。该文主要从Aux/IAA蛋白的结构、功能和生长素信号转导途径方面综述Aux/IAA家族在拟南芥、禾谷类作物及其它植物中的研究进展, 以期为全面揭示Aux/IAA家族基因的生物学功能提供线索。     

木醋液的植物生长调节剂特性的分子机理研究北大核心CSCD

木醋液(wood vinegar,WV)是一种农业生产上广泛应用的植物生长调节剂类似物,但对其分子水平调节机制研究的缺乏严重限制了它的更进一步应用。试验以模式生物拟南芥为材料,通过半定量PCR(Semi-quantitative PCR,SQ-PCR)和条件控制培养,研究了不同浓度、不同时间的木醋液、生长素吲哚乙酸(IAA)处理对生长素诱导基因表达和形态学变化的影响。结果表明,木醋液可调节拟南芥生长素诱导基因Aux/IAA1、Aux/IAA5、Aux/IAA19、ARF19和SAUR-AC1的表达。通过Aux/IAA和ARF蛋白相互作用,木醋液调节途径中存在与生长素类似的负反馈。在形态学方面,木醋液、生长素IAA均可抑制叶片数量和叶片伸展,促进主根伸长和侧根形成。这表明木醋液不但以与生长素IAA相似的途径促进植物生长,且以自身的调节方式促进植物生长发育。     

木醋液的植物生长调节剂特性的分子机理研究

木醋液(wood vinegar,WV)是一种农业生产上广泛应用的植物生长调节剂类似物,但对其分子水平调节机制研究的缺乏严重限制了它的更进一步应用。试验以模式生物拟南芥为材料,通过半定量PCR(Semi-quantitative PCR,SQ-PCR)和条件控制培养,研究了不同浓度、不同时间的木醋液、生长素吲哚乙酸(IAA)处理对生长素诱导基因表达和形态学变化的影响。结果表明,木醋液可调节拟南芥生长素诱导基因Aux/IAA1、Aux/IAA5、Aux/IAA19、ARF19和SAUR-AC1的表达。通过Aux/IAA和ARF蛋白相互作用,木醋液调节途径中存在与生长素类似的负反馈。在形态学方面,木醋液、生长素IAA均可抑制叶片数量和叶片伸展,促进主根伸长和侧根形成。这表明木醋液不但以与生长素IAA相似的途径促进植物生长,且以自身的调节方式促进植物生长发育。     

生长素信号对植物侧根发育的调控

植物根系是汲取水分、营养的重要器官,而侧根是植物根系重要的组成部分。生长素是调控侧根生长发育的核心因子。该文综述了生长素信号在直根系模式植物拟南芥以及须根系模式作物水稻中侧根发育调控中的研究进展,对生长素信号调控侧根起始模型、Aux/IAA介导的生长素信号对植物侧根发育调控这两个方面进行了阐述,并对拟南芥与水稻的侧根发育进行比较,最后对该研究领域进行了展望。     

植物生长素反应因子研究进展

生长素反应因子（ARFs）是植物生长和发育的重要调节因子,在生长素早期反应蛋白（Aux／IAAs）的参与下,通过和生长素反应基因启动子区AuxRE元件的JTGTCTC序列结合,共同调控这些基因的表达。近年来关于生长素反应因子的分子结构和ARF与Aux／IAA的相互作用及其对植物生长和发育的影响、作用的靶基因以及分子机制受到人们的重视,并在这些方面做了大量的研究。     

毛竹miR164b前体的克隆及其在叶形态建成中的功能分析

microRNA（miRNA）参与植物多种生理代谢过程,在调控植物形态建成中发挥着重要作用。miR164作为植物特有的miRNA,其主要的靶基因是NAC转录因子,参与调控植物茎、叶顶端分生组织的建立、器官的分化和植株衰老等过程。本研究以毛竹（Phyllostachys edulis（Carr.） Lehaie）为材料,从中分离出miR164b的前体序列（82 bp）,二级结构分析结果发现该前体序列能够形成稳定的茎环结构,其成熟序列（21 bp）产生于茎环结构5'端的臂上,且碱基具有较高的保守性。本研究还构建了由CaMV 35S启动,包含毛竹miR164b前体序列的植物表达载体,并转化野生型拟南芥（Arabidopsis thaliana（L.） Heynh）,获得了转基因植株。结果表明,转基因植株生长瘦弱,莲座叶数量明显减少,叶片变小且叶片边缘锯齿减少,更加光滑。实时定量PCR分析结果显示,转基因拟南芥中毛竹miR164b的表达量极显著上升,而拟南芥内源靶基因CUC1与CUC2的表达量极显著下降。表明毛竹miR164b通过调节CUC1和CUC2的表达来参与植物叶形态建成过程。研究结果可为利用miRNA开展竹子分子育种提供参考。     

猕猴桃Aux/IAA基因家族的鉴定与表达

在猕猴桃全基因组范围内鉴定生长素/吲哚乙酸(Aux/IAA)基因家族,利用生物信息学方法分析其理化性质、结构特征及共线性关系等,并采用实时荧光定量PCR分析Aux/IAA家族基因在不同组织及部分家族成员在外源激素胁迫下的表达模式,为揭示该家族基因在猕猴桃发育过程中的功能奠定基础。结果表明:(1)猕猴桃基因组含有50个Aux/IAA家族基因,编码氨基酸序列介于125~391 aa,蛋白分子量介于14.06~42.48 kD,等电点介于4.33~9.51;Aux/IAA家族基因不均匀的分布于21条不同染色体上,且分布最多的23号染色体上含有11个基因;聚类分析将其分为9个亚族。(2)大部分Aux/IAA家族基因含有4个不同的保守结构域,多数成员均含有Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ结构域,部分基因缺失Ⅰ结构域;基因结构分析表明该家族基因包含1~5个内含子;基因组内序列分析发现该家族基因含有23对重复基因对,包括20对片段重复和3对串联重复;与拟南芥的组间共线性分析发现有36个基因与拟南芥基因存在共线性关系。(3)亚细胞预测显示该家族基因大部分定位于细胞核;启动子顺式作用元件分析发现该家族启动子包含光、激素以及响应生物与非生物胁迫等相关作用元件。(4)实时荧光定量PCR分析表明,Aux/IAA家族基因有组织表达特异性,各成员对外源激素响应的时间和强度不同,绝大多数基因在激素处理的早期下调表达,而AcIAA1a和AcIAA18a相对表达量呈现上调表达,响应模式的差异也说明了Aux/IAA家族各个基因在调控猕猴桃发育过程中功能上的差异性。研究认为,猕猴桃Aux/IAA家族基因具有功能多样性,且存在基因复制现象的基因部分表现出组织表达模式相似性,推测在功能上可能有冗余,在进化过程中该基因可能受到环境胁迫而导致序列的缺失或基因复制。     

Developmental analysis of a Medicago truncatula smooth leaf margin1 mutant reveals context-dependent effects on compound leaf development

Compound leaf development requires highly regulated cell proliferation, differentiation, and expansion patterns. We identified loss-of-function alleles at the SMOOTH LEAF MARGIN1 (SLM1) locus in Medicago truncatula, a model legume species with trifoliate adult leaves. SLM1 encodes an auxin efflux carrier protein and is the ortholog of Arabidopsis thaliana PIN-FORMED1 (PIN1). Auxin distribution is impaired in the slm1 mutant, resulting in pleiotropic phenotypes in different organs. The most striking change in slm1 is the increase in the number of terminal leaflets and a simultaneous reduction in the number of lateral leaflets, accompanied by reduced expression of SINGLE LEAFLET1 (SGL1), an ortholog of LEAFY. Characterization of the mutant indicates that distinct developmental domains exist in the formation of terminal and lateral leaflets. In contrast with the pinnate compound leaves in the wild type, the slm1 sgl1 double mutant shows nonpeltately palmate leaves, suggesting that the terminal leaflet primordium in M. truncatula has a unique developmental mechanism. Further investigations on the development of leaf serrations reveal different ontogenies between distal serration and marginal serration formation as well as between serration and leaflet formation. These data suggest that regulation of the elaboration of compound leaves and serrations is context dependent and tightly correlated with the auxin/SLM1 module in M. truncatula.     

Mechanisms of leaf tooth formation in Arabidopsis

Serration found along leaf margins shows species‐specific characters. Whereas compound leaf development is well studied, the process of serration formation is largely unknown. To understand mechanisms of serration development, we investigated distinctive features of cells that could give rise to tooth protrusion in the simple‐leaf plant Arabidopsis. After the emergence of a tooth, marginal cells, except for cells at the sinuses and tips, started to elongate rapidly. Localized cell division seemed to keep cells at the sinus smaller, rather than halt cell elongation. As leaves matured, the marginal cell number between teeth became similar in any given tooth. These results suggest that teeth are formed by repetition of an unknown mechanism that spatially monitors cell number and regulates cell division. We then examined the role of CUP‐SHAPED COTYLEDON 2 (CUC2) in serration development. cuc2‐3 forms fewer hydathodes and auxin maxima, visualized by DR5rev::GFP, at the leaf margin, suggesting that CUC2 patterns serration through the regulation of auxin. In contrast to a previous interpretation, comparison of leaf outlines revealed that CUC2 promotes outgrowth of teeth rather than suppression of growth at the sinuses. We found that mutants with increased CUC2 expression form ectopic tissues and mis‐express SHOOT MERISTEMLESS (STM) at the sinus between the enhanced teeth. Similar but infrequent STM expression was found in the wild type, indicating STM involvement in the serration of simple leaves. Our study provides insights into the morphological and molecular mechanisms for leaf development and tooth formation, and highlights similarities between serration and compound leaf development.     

Evolution and diverse roles of the CUP-SHAPED COTYLEDON genes in Arabidopsis leaf development

CUP-SHAPED COTYLEDON2 (CUC2) and the interacting microRNA miR164 regulate leaf margin dissection. Here, we further investigate the evolution and the specific roles of the CUC1 to CUC3 genes during Arabidopsis thaliana leaf serration. We show that CUC2 is essential for dissecting the leaves of a wide range of lobed/serrated Arabidopsis lines. Inactivation of CUC3 leads to a partial suppression of the serrations, indicating a role for this gene in leaf shaping. Morphometric analysis of leaf development and genetic analysis provide evidence for different temporal contributions of CUC2 and CUC3. Chimeric constructs mixing CUC regulatory sequences with different coding sequences reveal both redundant and specific roles for the three CUC genes that could be traced back to changes in their expression pattern or protein activity. In particular, we show that CUC1 triggers the formation of leaflets when ectopically expressed instead of CUC2 in the developing leaves. These divergent fates of the CUC1 and CUC2 genes after their formation by the duplication of a common ancestor is consistent with the signature of positive selection detected on the ancestral branch to CUC1. Combining experimental observations with the retraced origin of the CUC genes in the Brassicales, we propose an evolutionary scenario for the CUC genes.