“異形葉”是指基因型相同的植物由于環(huán)境變化導致葉形顯著差異的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在水生植物中尤其常見。異形葉植物的水生葉常為深裂、絲狀或線形，葉片較薄，氣孔密度較低或缺失；而陸生葉的葉形則相對簡單，葉片較厚而維管束發(fā)達，氣孔密度較高。異形葉是研究植物表型與生態(tài)環(huán)境適應性的理想模型，不同進化地位的異形葉植物在相同環(huán)境下具有相似的表型特征，這也為研究植物趨同進化的機制提供了獨特的研究模型。然而，由于缺乏合適的模式植物，其分子機制研究進展緩慢，異形葉調控機制目前仍不清楚。 

　　近年來，中國科學院水生生物研究所侯宏偉研究員團隊通過篩選，發(fā)現(xiàn)一種爵床科水生植物異葉水蓑衣（Hygrophila difformis）的葉形在不同環(huán)境條件下存在顯著差異，其異形葉特征明顯，水生葉和陸生葉具有明顯區(qū)別（圖1）。此外，該植物具有植株大小合適、生長迅速、能夠響應多種環(huán)境變化等優(yōu)勢（Li et al., 2017）。該團隊隨后建立了異葉水蓑衣的穩(wěn)定遺傳轉化體系，為研究其分子機制奠定了基礎（Li et al., 2020）。近日，該團隊以異葉水蓑衣為實驗材料，研究了KNOTTED1-LIKE HOMEOBOX （KNOX1）基因家族中SHOOT MERISTEMLESS (STM)在異葉水蓑衣葉形發(fā)育中的功能，通過遺傳學證據(jù)證明HdSTM參與了異葉水蓑衣的異形葉發(fā)育過程。 

圖1. 異葉水蓑衣在水生和陸生環(huán)境下的異形葉表型

A. 陸生植株；B. 沉水植株；C. 陸生植株水淹后的葉形變化

　　研究團隊發(fā)現(xiàn)，與陸生環(huán)境相比，異葉水蓑衣的HdSTM在水生環(huán)境中的表達水平顯著提高。原位雜交結果表明，不同于擬南芥等模式植物中STM僅局限于莖頂端分生組織的表達模式，HdSTM在莖頂端分生組織、葉緣鋸齒或小葉中的表達均較高，其基因表達模式隨環(huán)境條件的變化而改變，具有顯著的物種特異性。在擬南芥中異源過表達該基因能夠使其產生葉裂增加等表型，而調控植物器官邊界和葉緣發(fā)育的CUP-SHAPED COTYLEDON (CUC)基因的表達也顯著提高。過表達HdSTM的異葉水蓑衣在陸生環(huán)境下無明顯葉形變化，而在水淹條件下能夠迅速產生深裂葉（圖2）；HdSTM的RNAi植株葉形及葉序發(fā)育受阻，沉水葉的復雜程度顯著降低。原位雜交實驗表明，HdSTM與HdCUC3表達模式相近。酵母雙雜交和BiFC等實驗證明HdSTM與HdCUC3存在蛋白互作，這表明HdSTM可能與HdCUC3共同調控異葉水蓑衣的異形葉形成（圖3）。該研究首次通過分子生物學證據(jù)表明STM參與水生植物異形葉形態(tài)發(fā)生的調控和機制（Li et al., 2022）。 

圖2. 沉水條件下HdSTM的過表達植株葉形復雜程度迅速增加

A. 野生型及過表達HdSTM的陸生植株；B. 野生型及過表達HdSTM的陸生葉形；C. 野生型及過表達HdSTM的陸生植株水淹14天后的植株表型；D. 野生型及野生型及過表達HdSTM的陸生植株水淹14天后的葉形

圖3. 酵母雙雜交和BiFC驗證HdSTM和HdCUC3的互作關系

A. 酵母雙雜交；B. BiFC實驗

　　該工作歷經8年，近日以“SHOOT MERISTEMLESS participates in the heterophylly of Hygrophila difformis (Acanthaceae)”為題，在線發(fā)表于Plant Physiology（https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiac382/6671852?searchresult=1&login=true#supplementary-data）。水生所博士后李高潔為論文第一作者，侯宏偉研究員為通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃（2017YFE0128800）、國家自然科學基金（31870384、32101254）和中國科學院國際伙伴關系計劃項目（152342KYSB2020021）的支持。 

　　參考文獻： 

　　Li G, Yang J, Chen Y, Zhao X, Chen Y, Kimura S, Hu S, Hou H. SHOOT MERISTEMLESS participates in the heterophylly of Hygrophila difformis (Acanthaceae). Plant Physiol. 2022, 19: kiac382. 

　　Li G, Hu S, Yang J, Zhao X, Kimura S, Schultz EA, Hou H. Establishment of an Agrobacterium mediated transformation protocol for the detection of cytokinin in the heterophyllous plant Hygrophila difformis (Acanthaceae). Plant Cell Rep. 2020, 39(6): 737-750. 

　　Li G, Hu S, Yang J, Schultz EA, Clarke K, Hou H. Water-Wisteria as an ideal plant to study heterophylly in higher aquatic plants. Plant Cell Rep. 2017, 36(8): 1225-1236.