Plant cell: 中科院西双版纳热带植物园陈江华团队发现GRAS转录因子PINNA2控制苜蓿复叶形态发生

文摘   2024-12-25 10:03   湖北  


研究背景

在自然界的植物王国中,人们可以发现多种多样的叶形态。根据复杂程度,可以将叶划分出两种类型的叶:单叶和复叶,而最吸引人注意的就是千姿百态的复叶形态。单叶包含一个叶片单元,而复叶是由多个叶片单元、即小叶构成。从生物学功能上来说,每一个小叶等同于一个单叶。在植物演化的历程中,复叶的出现被认为带来了很多优势,如提高光合效率、减少植食性动物的损伤等。根据复叶中小叶的数目和排列方式,复叶可以分为单身复叶、三出复叶、羽状复叶、掌状复叶及各种多级复叶等。这些不同复叶的形态是如何决定的,目前所知甚少。
从发育的视角来看,复叶与单叶的不同之处在于,复叶的发育包括一个由复叶原基干细胞介导的特殊形态建成过程——小叶的起始和排列。因此,复叶发育的核心问题是,复叶原基干细胞是如何在时空上响应遗传因子、激素及环境信号的协同作用、最终可塑性的调控复叶的形态建成的?中国科学院西双版纳热带植物园陈江华团队以豆科模式植物蒺藜苜蓿的复叶为模型,对这一核心问题进行了深入解析。

复叶发育的里程碑是在早期阶段产生单独的小叶原基,这涉及两个相互关联但不同的形态发生事件:小叶起始和小叶分离的边界建立。尽管在理解每一事件的调控途径方面取得了一些进展,但尚不清楚它们是如何内在协调的。

研究结果

在这里,我们在苜蓿中鉴定了编码一种新鉴定的GRAS转录因子的PINNA2基因。PINNA2转录本优先在器官边界被检测到。它的功能缺失突变将三叶转变为羽状五叶形式。PINNA2直接与LEAFY同源物SINGLE LEAFLET1(SGL1)的启动子区结合,并下调其表达,SGL1编码小叶起始的关键正向调控因子。进一步的分析表明,PINNA2与SGL1表达的另外两种阻遏物,即BEL1样同源结构域蛋白PINNA1和C2H2锌指蛋白PALMATE-like PENTAFOLITAA1(PALM1)协同作用,精确定义SGL1在复合叶原基中的时空表达,从而维持适当的小叶起始模式。此外,我们发现PINNA2在小叶到小叶边界的富集表达受到边界特异性基因MtNAM的正调控,这对小叶边界的形成至关重要。总之,这些结果揭示了边界表达转录因子PINNA2在调节小叶起始中的关键作用,为复合叶型形成背后复杂发育过程的协调提供了分子见解。

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