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责编 | 王一
多细胞生物发育是细胞在单向时间轴上的有序组织过程。通过对特定发育进程的起始时间、进展速率、持续时长、终止时间、甚至节奏等时间尺度进行调节，生物演化出了千姿百态的形状。
近日，德国马克斯普朗克学会植物育种所Miltos Tsiantis研究组在Current Biology上在线发表了题为Cell-cycle-linked growth reprogramming encodes developmental time into leaf morphogenesis的研究论文，揭示了植物如何利用时间因素调控形态建成。
研究者开发了针对植物活体组织生长的延时摄影（time-lapse live-imaging）体系，对拟南芥不同叶龄（幼龄叶和成年叶）叶片的发育进程从原基起始到形态分化进行全过程追踪。通过构建完整细胞谱系以及系统量化细胞生长参数，他们发现幼龄叶发育总体表现出“短平快“的特征。尤其值得注意的是：在幼龄叶中，细胞分裂在原基起始后的两天出现一个爆发，而这个爆发很快耗尽了组织的增生潜能，细胞快速转入分化和伸长阶段。而成年叶则表现出明显的“可持续发展” – 组织增生没有出现爆发式增长，却“细水长流”式得持续很长的时期。植物叶片的这种发育模式转变有其合理的形态生态学意义：在种子出土后，植物急需产生光合器官来维持自身的发展，此时叶片发育采用一种 “粗犷“的爆发式发育模式；而随着植物年龄的增长，其积累了足够的养分来支持更高质量的发育，叶片发育模式也随之转型升级，进入”可持续发育“模式。这种升级的模式为叶片发育提供了更多的组织材料（细胞）也打开了更广阔的时间和空间窗口，从而产生更大更复杂的成年叶形态。
很多研究表明，转录因子SPL9在叶龄相关的形状变化中发挥重要作用（Tang et al., 2023 Plant Cell）。在解析全谱系细胞生长动态的基础上，研究者进一步结合数量形态学、遗传操纵、生长建模等一系列手段证明SPL9是调控叶片发育模式随叶龄发生转变的重要因子。SPL9能够接受发育时间的输入信号（其表达随着叶龄增长而提高，却又随着叶片成熟进程而沿叶片顶-基轴降低），进而通过转录过程将该信息通过周期调节因子CyclinD3传导到生长发育的最基本时间单元-细胞周期。通过对细胞周期运转速率和持续时间的调控，时间信息被转化成细胞生长参数以及组织生成周期，最终形成不同的叶片形态。这个调控机制将时间信息通过层层转化编译为生物形态，并且从细胞周期、组织分化、器官建成、直到植物年龄等巧妙地进行了跨尺度统一和协调。
该研究不仅在发育生物学上取得了重要的认识突破，相应的研究技术和体系也有很好的借鉴意义，尤其是基于全谱系细胞命运追踪的量化分析，结合遗传学和最新的单细胞组学技术，将为植物学研究打开更大的探索空间。
该研究主要由马普育种所厉新民博士完成，该单位的Hannah Jenke,Soeren Strauss,Christos Bazakos,Gabriella Mosca,Rena Lymbouridou,Daniel Kierzkowski,Ulla Neumann,Purva Naik,Peter Huijser,Stefan Laurent,Richard S. Smith以及Adam Runions也参与了该课题研究，Miltos Tsiantis教授为项目负责人。该研究由马普学会、德国科学基金会、德国联邦教育与研究部和洪堡基金共同资助。
文章链接：
https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(23)01750-5
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