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Science:基因决定植物叶片的独特形状

时间:2014-02-20 18:35来源:生物360 作者:未知 点击: 158次
(责任编辑:泉水)
 

菠菜看起来一点也不像欧芹,罗勒与百里香也没有相似之处。每种植物都具有一种独特的叶片形状,即使相同科的植物叶片形状也有差异。关于“叶片会是什么形状”的信息被储存在 DNA 中。根据德国 Max Planck 植物育种研究所的研究人员称,碎米荠(Cardamine hirsuta)的全裂叶形状归因于一个独特的基因。这个同源框基因能够抑制小裂叶之间的细胞增殖和生长,使它们相互分离。拟南芥(Arabidopsis thaliana)没有这个基因,因此,它的叶片不是全裂叶,而是简单完整的叶片形状。这项研究成果,发表在2014年2月14日的《科学》(Science)杂志上。

Max Planck植物育种研究所的 Miltos Tsiantis 及其同事,在比较十字花科两种植物时发现了这个新基因,这两种植物分别是:碎米荠,具有小叶组成的全裂叶;拟南芥,具有简单的倒卵形或匙形叶片。研究人员发现, RCO ((REDUCED COMPLEXITY)基因可使碎米荠的叶片形状更加复杂。拟南芥缺乏这个基因,因而也就缺乏小裂叶。 RCO 仅活跃在生长的叶片中。 RCO 能够确保在小裂叶形成位置之间的叶缘区域中,细胞增殖和生长是受阻的。 Tsiantis 解释说:“因为拟南芥叶片的生长并不受 RCO 基因抑制,因此叶片形状是简单和完整的。如果我们没有对比这两种植物,那么我们永远不会发现这种差异,因为很难在这个基因不存在的地方找到它。”

通过碎米荠中的一个突变,科学家们首次确定了 RCO 基因。当缺乏功能性 RCO 基因时,碎米荠再也不能产生小裂叶。 RCO 基因属于一个基因簇(3 个基因组成),它通过一个单基因的复制,出现在进化过程中。在拟南芥中,这个最初的三重基因簇现在由一个单基因组成。当科学家们在实验室中将 RCO 基因重新转入拟南芥后,其进化被部分地逆转。 Tsiantis 称:“拟南芥的简单圆形叶片发育为深裂叶。仅通过一个 RCO 基因的转移,叶片形状就再次变得复杂,这表明小裂叶形成的大多数机制肯定还存在于拟南芥中,并不会随着 RCO 基因一同丢失。”

该研究团队还更加详细地研究了 RCO 序列,发现它是一个同源框基因。这些基因的功能就像是遗传开关,能够激活或关闭其它基因。科学家们还发现, RCO 功能仅限于叶片形状;它并不能决定叶片是否形成。在碎米荠中, RCO 基因缺失并不会产生任何其他可见的变化。因此,其效果仅限于对叶缘的生长抑制作用。在这里, RCO 并没有对植物激素生长素(auxin)产生影响。这种特殊性使 RCO 相比较迄今确定的其他基因,更可能是叶片形状进化的驱动力。 Tsiantis 及其同事计划在未来几个月内解码这个基因的具体功能。

科学家们还研究了含 RCO 的基因簇中另外两个基因,这两个基因通过一个前体基因的复制,出现在进化过程中。他们想查明, RCO 促进叶片复杂性的新功能是如何出现的。显然,主要功能差异在于基因的控制区,而非蛋白序列。控制区决定着相关基因何时及如何被读取。如果其它两个基因中的一个受到 RCO 控制区的影响,拟南芥就会形成复杂的叶片形状。因此,碎米荠的全裂叶主要归因于 RCO 基因的控制区。

原文检索:

Daniela Vlad, Daniel Kierzkowski, Madlen I. Rast, Francesco Vuolo, Raffaele Dello Ioio, Carla Galinha,Xiangchao Gan, Mohsen Hajheidari, Angela Hay, Richard S. Smith, Peter Huijser, C. Donovan Bailey, and Miltos Tsiantis. Leaf Shape Evolution Through Duplication, Regulatory Diversification, and Loss of a HomeoboxGene. Science 14 February 2014; DOI:10.1126/science.1248384

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