托葉出現(xiàn)在葉柄的基部，由于生長停滯可能保持不明顯，例如在有毛的苦味中(左)。這些不同的生長模式依賴于LMI1基因，導致生長停滯。當LMI1突變時，托葉長出另一片葉子(中間)。同一基因負責卷須的生長停滯——豌豆葉尖的線性結(jié)構(gòu)(右)。這是因為LMI在豌豆的葉尖而不是托葉中是活躍的，托葉形成大的光合器官。
秋天，不僅有醒目的顏色，還有不同大小和形狀的樹葉。但是是什么讓不同植物的葉子形狀如此不同呢？科隆馬克斯普朗克植物育種研究所的科學家發(fā)現(xiàn)了一種叫做LMI1的蛋白質(zhì)是如何控制葉子的生長和形狀的。
馬克斯普朗克研究所所長、米爾托斯齊桑茨實驗室的弗朗切斯科武洛(Francesco Vuolo)和他的同事們正在研究人們在自然界中可以看到的令人眼花繚亂的葉子形狀變化的機制。最近，他們開始研究鮮為人知的葉子部分，叫做托葉。這些生長物在發(fā)育過程中形成于葉片的基部，它們的大小和功能在不同的植物種類中有很大的不同。在模式植物擬南芥中，成熟的托葉仍然很小，盡管它們構(gòu)成幼葉的重要部分。在其他植物中，如豌豆，托葉形成了大部分的葉子。
利用遺傳學、顯微鏡和數(shù)學模型的結(jié)合，他們可以證明LMI1使托葉保持小。如果蛋白質(zhì)是在葉片發(fā)育過程中在細胞中產(chǎn)生的，它只會繼續(xù)生長而不是分裂。這種成熟的細胞形式可以阻止細胞發(fā)展成其他細胞類型，并限制可用于進一步組織生長的細胞庫。雖然細胞生長在早期階段會增加，但這反過來會縮小最終器官的大小?！半m然細胞很大，但葉子仍然很小，”Vuolo解釋說。
LMI1在其他植物的葉片形態(tài)調(diào)節(jié)中也起著決定性的作用。研究小組發(fā)現(xiàn)，LMI1不是在豌豆植株的大葉狀托葉中產(chǎn)生的，而是在豌豆葉片的上部，在那里形成了一種叫做卷須的線性攀援器官?！熬眄氈械募毎矔兊酶?，分裂更少，”Vuolo說。因此，豌豆葉片中LMI1代的模式可能是其特征形狀的原因，頂端為線狀卷須，基部為大托葉。
這些重要發(fā)現(xiàn)揭示了托葉的發(fā)育起源，表明它們實際上是被LMI1維持在抑制狀態(tài)的神秘葉片。托葉、葉子和卷須等不同的植物部分是如何相互關(guān)聯(lián)的，這個問題一直困擾著英國自然科學家查爾斯達爾文，他在1865年寫了一篇關(guān)于它們的文章。因此，本研究解決了植物形態(tài)學長期存在的問題和新問題。方法研究生長在葉片形態(tài)進化中的作用。“總有一天，它們可以為培育能改善葉子或其他器官的新農(nóng)業(yè)植物品種做出貢獻。例如，我們正在研究LMI1蛋白作為一種重要的農(nóng)業(yè)特征在番茄果實生長中的作用，”Tsiantis說。
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