植物器官形態建立過程中，是誰在發揮作用？

2021年1月18日，國際知名學術期刊New Phytologist線上發表了中科院西雙版納熱帶植物園陳江華課題組題為“The geometry of the compound leaf plays a significant role in the leaf movement ofMedicago truncatulamodulated bymtdwarf4a”的研究論文。該論文揭示了蒺藜苜蓿mtdwarf4a突變體介導的複葉幾何形狀參與到葉片的運動，提出了一個比較新穎的觀點，即植物器官形態建立過程中，適宜的幾何空間對於植物器官的形態和功能發揮具有重要意義。

固著生長的植物並不能像動物那樣可以自由的移動，為了適應不斷變化的環境，植物進化出各種各樣的運動方式來感知外界條件，從而趨利避害。自達爾文時代開始，葉枕驅動的晝開夜合的節律性運動就引起了植物科學家和公眾的廣泛關注，這是豆科（Fabaceae）和酢漿草科（Oxalidaceae）植物中普遍存在的環境適應性特徵。來自這兩個類群的大多數物種具有複葉結構。複葉由多個小葉構成，而每個小葉的基部通常都有一個叫葉枕（pulvinus）的“運動器官”來控制其葉片運動。當植物感受到外界訊號刺激時，透過改變葉枕兩側細胞群膨壓調控葉片在黃昏時慢慢閉合，黎明時漸漸展開。以往的科學研究主要集中於葉片運動中葉枕的角色，而很少關注複葉的其他元素對葉片運動的影響。

為了深地瞭解豆科植物葉片運動現象背後的奧秘，中科院西雙版納熱帶植物園熱帶植物資源可持續利用重點實驗室陳江華團隊以豆科模式植物蒺藜苜蓿為研究材料，在菸草逆轉錄轉座子Tnt1插入突變體庫中篩選到兩個等位突變體株系，它們的小葉晚上不能閉合。相比於野生型，突變體植株半矮化，複葉變小，葉柄葉軸葉枕等器官的長度不同程度縮短，三個小葉片呈不平展波浪狀且相互間交疊，導致小葉之間的間隙嚴重減小。對突變體進行全基因組重測序分離到候選目的基因為擬南芥DWF4同源基因MtDWF4A，其編碼細胞色素P450蛋白CYP90B1。反向遺傳學和遺傳互補實驗都證明了MtDWF4A是目的基因。進一步分析顯示，異源過表達MtDWF4A也能夠恢復擬南芥dwf4-96突變體的缺陷表型；激素測定顯示，mtdwf4a-1中內源性生物活性BRs含量顯著降低；而施加外源24-epi-BL有效恢復了mtdwf4a-1的複葉形態缺陷，使葉片運動恢復。這些資料表明在蒺藜苜蓿中MtDWF4A保守地參與了BRs的合成途徑。

圖1MtDWF4A保守地參與了BRs的合成途徑

為了回答為什麼mtdwf4a小葉晚上不能關閉這一關鍵問題，我們對mtdwf4a葉枕進行掃描電鏡和半薄切片，實驗顯示突變體葉枕的結構和屬性相比於野生型沒有大的變化；因而進一步推測是否因為小葉之間幾何空間結構的變化導致其不能運動，並進行了科學驗證：

1）利用剪下實驗去除小葉之間的空間阻礙，可以明顯地恢復小葉的運動表型；

2）蒺藜苜蓿的第一片真葉是單葉結構，觀察其運動表型發現，mtdwf4a的第一片單葉有明顯的晝開夜合能力；

3）剪掉mtdwf4a複葉的兩個側小葉，頂小葉有明顯的運動能力；

4）利用已經發表的影響葉片空間幾何結構的突變體stf和mtphan（這兩個突變體的葉片間距都更大）進行遺傳雜交，我們得到的mtdwf4a stf和mtdwf4amtphan雙突變體在夜間均能閉合葉片，即完全恢復了葉片運動能力。

圖2。 小葉之間的幾何空間限制導致mtdwf4a的小葉夜間不能關閉

以上證據表明在mtdwf4a突變體中，晚上覆葉之所以不能正常閉合主要是由於小葉之間存在的幾何空間限制，這與其運動器官葉枕的功能沒有顯著相關性。研究結果顯示：複葉中小葉運動能否正常展現的一個重要前提是其是否有足夠的幾何開放空間，揭示了複葉的幾何結構（即小葉的空間結構和組織）是小葉在夜間閉合所必需的因素之一。因此，本研究提出了一個比較新穎的觀點，即植物器官形態建立過程中，適宜的幾何空間對於植物器官的形態和功能發揮具有重要意義。

中科院西雙版納熱帶植物園熱帶植物資源可持續利用重點實驗室趙維月博士為論文第一作者，陳江華研究員為通訊作者，賀亮亮博士為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金，中科院百人計劃，雲南省高階科技人才以及中科院先導等專案的資助。