發現控制樹葉生長和形狀的蛋白質！

博科園-科學科普

在秋天不僅是顏色吸引眼球，而且還有不同大小和形狀的葉子。但是是什麼使得不同植物的葉子在形狀上有如此大的不同？德國科隆馬普植物育種研究所的科學家們發現了一種名為LMI1的蛋白質是如何控制樹葉生長和形狀。馬克斯·普朗克實驗室主任弗朗切斯科·武洛（Francesco Vuolo）和同事米洛斯·齊安提斯（Miltos Tsiantis）正在研究樹葉形狀變化的機理。最近將研究重點轉向了被稱為託托葉的葉片部分。這些外生植物在發育過程中形成於葉片基部，在不同的植物種類中大小和功能都有很大的差異。在擬南芥模型中，成熟的托葉仍然很小，雖然它們構成了幼葉的一個重要部分。

葉柄基部的托葉由於生長受阻而不明顯，如多毛的苦芥（左）。這些不同的生長模式取決於LMI1基因，而LMI1基因會導致生長停滯。當LMI1發生突變時，托葉會長成附加葉（中間）。相同的基因，負責生長停止的卷鬚-線狀結構在豌豆葉的頂端（右）。這是因為在豌豆中，LMI是活躍在葉片的頂端而不是托葉，托葉形成了大型的光合器官。圖片：Peter Huijser

博科園-科學科普：在其他植物中，如豌豆，葉的大部分是由托葉構成的。透過基因顯微鏡和數學模型的結合，能夠證明LMI1使托葉變小。如果蛋白質是在葉片發育過程中在細胞中產生的，它只是繼續生長而不是分裂。這種形式的細胞成熟阻止了細胞發展成其他型別的細胞，並限制了細胞池的進一步組織生長。這反過來又減少了最終器官的大小，儘管早期細胞生長增加，儘管有更大的細胞，葉子仍然更小。

有卷鬚的豌豆葉

LMI1在其他植物葉片形態調控中也起著決定性作用，研究小組發現，LMI1不是在豌豆植株的大葉柄中產生，而是在豌豆葉的上部產生的。卷鬚裡的細胞也越來越大，分裂也越來越少。因此豌豆葉片中LMI1產生的模式可能決定了其特有的形狀，在葉片的頂端有一些像線一樣的卷鬚，在底部有大的托葉。這些重要的發現為托葉的發育起源提供了新的線索，表明它們實際上是由LMI1抑制的隱性葉片。

掃描電子顯微鏡影象從一個天然的（左邊）和一個突變的（右邊）多毛葉芥的年輕的葉子。圖片：Peter Huijser

英國自然科學家查爾斯·達爾文（Charles Darwin）在1865年曾著述過類似於托葉、樹葉和卷鬚等不同植物部位之間的聯絡。因此這項研究既解決了長期存在的植物形態學問題，也解決了研究生長在樹葉形狀演化中的作用的新方法。總有一天，它們將有助於培育新的植物品種，用於農業改良葉片或其他器官。例如現在正在研究LMI1蛋白在番茄果實生長中作為一種重要的農業性狀的作用。

博科園-科學科普｜研究/來自：馬克斯普朗克協會

參考期刊文獻：《Genes & Development》

博科園-傳遞宇宙科學之美