Plant Physiol | 华南农业大学葛良法课题组揭示蒺藜苜蓿螺旋果荚形态建成的调控新机制

螺旋是自然界普遍存在的一种形状，大到宇宙中的星系，小到DNA和蛋白质分子。由于螺旋器官在主要模式植物拟南芥中并不存在，当前有关植物器官螺旋生长的遗传调控机理尚不清楚。豆科是被子植物三大科之一，在长期进化的过程中，豆科植物演化出了多种形态的荚果，以适应不同的种子传播机制。根据形态特征，果荚可大致分为三类，即直型果荚、螺旋果荚和扭曲果荚。当果荚的腹缝线和背缝线的生长速率相对一致时，果荚表现为直型；而当背缝线生长显著快于腹缝线区域时，果荚弯曲生长，呈现螺旋果荚形态。这两种果荚形态存在于大部分豆科植物中。若螺旋果荚的背缝线或腹缝线的生长速率比例严重失调，果荚无法沿着同一个手性方向螺旋生长，就会呈现扭曲的异常螺旋，称为扭曲果荚（ear-like）。这种果荚主要存在于大叶相思（Acacia auriculaeformis）、象耳豆（Enterolobium cyclocarpum）等含羞草分支（mimosoid clade）植物中。

蒺藜苜蓿（Medicago trunctula）是豆科模式植物，具有天然的螺旋状果荚，是研究植物器官螺旋的理想材料。近日，华南农业大学葛良法教授课题组与黄巍教授课题组合作在经典植物学杂志Plant Physiology上在线发表了题为“MtKIX8 regulates the helical pod morphology by coordinating growth along dorsal-ventral sutures in Medicago truncatula”的研究论文，揭示了MtKIX8调控蒺藜苜蓿螺旋果荚形态建成的机制。

该研究在筛选与器官大小调控因子BIG SEEDS 1 (BS1)互作蛋白的过程中，得到一个与BS1互作的转录因子MtKIX8。MtKIX8是拟南芥AtKIX8/9、番茄SlKIX8/9、大豆GmKIX8/9、豌豆PsBIO以及百脉根LjBIO的同源基因。该基因广泛参与了被子植物器官大小及花瓣内部不对成性的发育调控。

研究者在蒺藜苜蓿突变体库中筛选到了两个mtkix8等位突变体，其果荚在发育过程中，不能形成规则且致密的螺旋状结构，手性也会发生改变。通过组织细胞学研究，研究者发现mtkix8突变体果荚腹缝线区域的细胞数目、形态及大小均存发生了明显改变。进一步的研究表明，MtKIX8在果荚腹缝线区域的表达显著高于背缝线区域，并通过协调腹缝线和背缝线区域的生长速率决定果荚的最终形态。该研究不仅发现了MtKIX8的新功能，也揭示了苜蓿属螺旋果荚形成的机理模型。

不同形状果荚形态建成模型（注：VS, 腹缝线；DS, 背缝线。）

华南农业大学林学与风景园林学院已出站博士后余倩霞和生命科学学院博士研究生杜欢为该论文共同第一作者。葛良法教授和黄巍教授为论文共同通讯作者。华南农业大学林学与风景园林学院黄圆圆、雷虓、吴雪婷和姜佳雨同学参与了本研究。该研究得到了国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究基金自然科学基金等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae170