果实作为被子植物的一种关键创新性状，不仅促进了这些植物的辐射分化，还为人类健康提供了多种必需营养成分。在长期自然选择的影响下，果实展现出了丰富的多样性，包括其颜色、形状、大小和质地等特征，这些特征往往与特定种子传播策略相适应。虽然关于果实发育及其相关基因调控网络的研究已取得一定进展，但果实多样化的分子进化机制仍不清楚。十字花科植物是被子植物中一个具有重要经济价值的群体，它们的果实形状变化多样，成为研究果实多样化机制的理想对象。
中国科学院植物研究所器官形态建成与进化研究组及其合作者选择了十字花科中拥有心形角果的淡红荠（Capsella rubella）作为研究材料，以探讨果实形态发生及多样化的分子进化机制。通过活细胞成像技术观察到，在心形角果发育过程中，果瓣表皮细胞的分裂活性逐渐下降，并且在形态确立后仅限于果瓣顶端边缘区域；同时，细胞极性生长从果瓣中部向顶端增强，促使果瓣顶端向外凸出，这种细胞分裂和生长模式共同决定了心形角果的形态形成。单细胞转录组测序和发育轨迹重建结果支持了这一结论，即这种互补的细胞分裂和生长方式导致了果瓣表皮细胞尺寸的不均一性。
在基因调控方面，果瓣顶端细胞分裂依赖于干细胞特性的基因CrSTM的特殊表达，该表达由生长素信号激活；随后，CrSTM蛋白通过识别其启动子上的STM结合元件形成正反馈自调控环，从而维持其在果瓣顶端边缘区域的表达。实验表明，敲除STM结合元件可以显著降低CrSTM及细胞分裂标记基因的表达并影响果瓣发育。因此，CrSTM在果瓣中的特定定位影响了果瓣表皮细胞的分裂和生长模式，进而控制果实形态的形成。在拟南芥中重现STM正反馈环能够诱导果瓣表皮细胞产生额外分裂，改变果实形状，这表明STM在决定果实形状方面发挥核心作用。在十字花科植物中，STM结合元件多次独立出现，推测STM正反馈环的进化可能是果实形状多样化的关键驱动力之一。
这项研究揭示了果实形状多样化的分子进化机制，为理解自然界中广泛存在的形态多样性提供了线索，同时也为改良十字花科重要经济作物的遗传特性提供了理论基础。
相关成果于近期发表于国际权威学术期刊Nature Plants上，题为Evolution of a SHOOTMERISTEMLESS transcription factor binding site promotes fruit shape determination的研究论文。植物所博士研究生胡志程、孙浩然和瑞士洛桑大学助理教授Mateusz Majda为论文共同第一作者，植物所董阳研究员和牛津大学Lars Østergaard教授为论文共同通讯作者。植物所徐桂霞研究员，约翰-英纳斯中心Richard Smith教授，北京市农林科学院蔬菜研究所苏同兵研究员，植物所博士研究生张耀、袁泉和丁怡宁等也参与了这项研究。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委创新群体项目、面上项目等的资助。
