Nature Plants | 中科院版纳植物园陈江华团队解析蒺藜苜蓿复叶发育新机制

在植物王国中，叶片的形态多种多样，根据其复杂程度，可以划分为单叶和复叶。单叶包含一个叶片单元，复叶是由多个叶片单元即小叶构成。从叶片发育的角度来看，复叶与单叶的不同之处在于，复叶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。从生物学功能上来说，复叶的每一个小叶等同于一个单叶，在植物演化历程中复叶的出现被认为具有提高光合效率、减少植食性动物损伤等优势。因此复叶发育一直以来都是植物学研究的热点。

豆科植物叶片多样性

紫花苜蓿是世界著名的优良牧草，素有“牧草之王”的美称。紫花苜蓿作为最重要的高蛋白饲料，一直是奶业和畜牧业的核心原料，国内生产一直不足，依赖进口。四倍体紫花苜蓿的基础研究受到其本身遗传特性的限制，一直进展缓慢。作为其近缘种的二倍体蒺藜苜蓿则是豆科优良的模式植物。它的叶片呈现经典的三出复叶，是研究复叶发育的理想模式材料。在前期的工作中，团队成员在蒺藜苜蓿中证明LFY的同源基因SGL1以及一个关键的C2H2锌指转录因子 PALM1对于侧小叶的起始和分化至关重要（Wang and Chen,Plant Physiology 2008；Chen, PNAS 2010）。然而，对于复叶原基干细胞在时空上是如何协同响应遗传因子、激素及环境信号、最终可塑性地调控复叶的形态建成的分子机制还所知甚少。

2020年5月11日，中国科学院西双版纳热带植物园、中科院分子植物卓越中心、中国科学院热带植物资源可持续利用重点实验室陈江华研究组在Nature Plants在线发表了题为A molecular framework underlying the compound leaf pattern of Medicago truncatula的研究论文。该工作分离并鉴定到蒺藜苜蓿中的一个新的BELL1 homeodomain蛋白PINNA1参与到复叶发育，进一步系统地解析了蒺藜苜蓿复叶形态模式建立的新机制。Nature Plants同期配发了中科院遗传发育所焦雨铃研究员撰写的题为Keeping leaves in shape的评述文章。

该团队筛选到一类新的五小叶并呈羽状排列的突变体pinna1，通过高通量基因组重测序和群体连锁分析，显示一个编码BEL-like转录因子的PINNA1基因被外源的烟草逆转座子Tnt1插入导致其功能失活。原位杂交实验显示该基因特异地在叶原基中表达。遗传分析表明，SGL1相对于PINNA1具有遗传上位性。时空表达分析揭示，pinna1突变体中SGL1的表达量和表达空间显著的上调和扩大；进一步的生化实验证明，PINNA1蛋白通过其homeodomain结构域特异性的结合到SGL1的启动子上来抑制SGL1的表达。

图：pinna1-1palm1-3双突变体相对于WT三出复叶表现为多级复叶

引人注目的是，pinna1 palm1双突变产生多级复叶，这种多级复叶使人联想起自然界中多回羽状复叶。进一步的分析显示，pinna1 palm1双突变背景下，多级小叶的产生也是依赖于LFY同源基因SGL1的表达。而更深入的研究揭示，PINNA1基因编码的蛋白，一方面能独立发挥作用，另一方面也能与PALM1蛋白协同合作，来实现对复叶发育过程中SGL1时空表达的精确调控，从而决定复叶中的小叶数目和排列方式。

图：PINNA1与PALM协同调控蒺藜苜蓿复叶形态建成的分子机制模式图

综上，该研究揭示了一个重要的调控蒺藜苜蓿复叶发育的作用机理，为解析植物复叶发育过程中形态建成的分子机制提供了新的线索，同时也为苜蓿的分子育种和改良提供了重要的理论指导和基因资源。

该论文通讯单位为中国科学院西双版纳热带植物园和中科院分子植物卓越中心，博士研究生贺亮亮和团队成员刘宇为论文的并列第一作者，陈江华研究员为论文的通讯作者，团队成员夏永梅副研究员，何华博士，李有涵博士，赵宝林博士，张晓嘉博士，中科大博士研究生刘野，中科院遗传发育所博士研究生漆金凤以及美国俄克拉荷马州立大学Million Tadege教授等也参与了该研究工作。相关研究得到中科院“百人计划”项目、国家自然科学基金云南省联合基金、中科院先导项目、云南省“高端人才计划”和中国科学院核心植物园等项目的资助。

参考文献：

【1】 He, L., Liu, Y., He, H. et al. A molecular framework underlying the compound leaf pattern of Medicago truncatula. Nat. Plants (2020). https://doi.org/10.1038/s41477-020-0642-2

【2】 Bar M, Ori N. 2014. Leaf development and morphogenesis. Development 141: 4219-4230.

【3】 Chen J, Yu J, Ge L, Wang H, Berbel A, Liu Y, Chen Y, Li G, Tadege M, Wen J, et al. 2010. Control of dissected leaf morphology by a Cys(2)His(2) zinc finger transcription factor in the model legume Medicago truncatula. Proceedings of the National Academy of Sciences 107: 10754-10759.

【4】 Wang H, Chen J, Wen J, Tadege M, Li G, Liu Y, Mysore KS, Ratet P, Chen R. 2008. Control of Compound Leaf Development by FLORICAULA/LEAFY Ortholog SINGLE LEAFLET1 in Medicago truncatula. Plant physiology 146: 1759-1772.

论文连接：

https://doi.org/10.1038/s41477-020-0642-2

评论链接：

https://doi.org/10.1038/s41477-020-0660-0