Current Biology | 厉新民等揭示细胞生长如何调节叶片形态对称性及多样化

自然界中的生物千姿百态，这些形态从系统发育上来讲，都来源于单细胞生物几十亿年的不断演化；从个体发育上来讲，也是来源于单个细胞的不断分裂和生长。生物形态的建成和变异往往涉及几何对称以及相同或相似形态单元的重复等。而形态建成本质上是一个受到精细调控的生长过程。也就是说，最终的生物形态，是一张蓝图（Genetic regulatory network）在发展（development）过程中渐渐实现的。蓝图固然重要，同时，具体的发展过程也深刻影响着其最终的实现效果。

因此，早在100多年前，汤普森 (D’Arcy Thompson)在其经典著作《论生长与形态》中就指出”很显然，一种生物的形态是由其沿各个方向上的生长所塑造的。因此，对生长进行测量是形态建成理论研究的首要任务”，强调了“对生物形态的研究不能脱离对生长的量化而进行”。进入21世纪，随着分子生物学的迅猛发展，我们对形态建成的调控网络有了深入理解，但对其生长过程仍认识有限。

D’Arcy Thompson及其著作《On Growth and Form》中的经典插图

多细胞生物的形态建成是细胞在三维空间中的增殖和组织的过程。那么，在形态建成中，空间信息是否以及如何与时间信息互作？又是如何造成形态多样化的？德国马普植物育种所Miltos Tsiantis研究组近日在Current Biology上在线发表了题为Age-associated growth control modifies leaf proximodistal symmetry and enabled leaf shape diversification的最新进展，通过对细胞生长的量化分析以及发育重设计，揭示了细胞生长在不同层面上把遗传信息转化成叶片形态的一种机制，并研究了该机制如何在器官形成、个体发育以及物种演化等时间尺度上对形态进行调整。

前期研究表明，SPL9转录因子把植株的年龄信息整合入一个基本的时间单元-细胞周期，进而通过调节细胞分生的速率和持续时期实现对形态建成的不断调整（Tang et al., 2023; Li et al., 2024）。定量分析显示，除了随植株年龄增长而增加，SPL9的表达在成年叶片发育过程中还呈现出向基性的动态变化。鉴于其在细胞生长和分化中的关键作用，该表达模式很可能代表了一个新的生长发育梯度，也即一个受时间调控的空间发育轴。与这种推测相一致的是，成年叶表现出明显的沿基顶轴的形态分化：基部狭窄多齿而顶部圆滑类似幼年叶。研究者通过靶向表达和细胞生长量化分析确认了这个由SPL9介导的全新发育梯度。通过遗传改造使SPL9沿基顶轴均匀分布能在多个层面上逆转成年叶的非对称性：如叶形的基顶对称性、叶缘锯齿分布的对称性、以及锯齿本身的形态对称性等。

SPL9沿叶发育的基顶轴调控细胞生长，进而影响叶形对称性和叶缘复杂性

除了改变叶缘锯齿的分布和形态，SPL9异位表达也大大增加了其数目，这表明SPL9介导的组织分生潜能的维持不仅调节形态对称性，还影响形态单元的发育潜力，进而通过协调单元变异及其与整体的互作产生新的形态。拟南芥的单叶正是由于其在演化过程中分生潜能下降（丢失了KNOX类分生维持因子在叶片中的表达）而由复杂叶形简化而来。那么SPL9对分生潜能的调控是否参与了单复叶的演化呢？

为回答这个问题，研究人员考察了拟南芥近缘种复叶碎米芥（Cardamine hirsuta）叶片形态建成的发育程序，发现其实SPL9调控分生潜能的时空模式在单复叶发育中是保守的。该分生调控机制在幼年叶中的缺位完全阻止了复叶发育程序的实施——不同层级的复叶建成基因虽然都在幼年叶中表达，但却无法正常发挥其功能。而随着植物年龄的增长，SPL9维持的分生潜能为这些复叶建成因子提供了更多的组织材料（细胞）也打开了更大的时间和空间窗口，为它们正常发挥功能提供了充分必要条件。

因此，SPL9介导的分生调控在叶片形态演化进程中起到了关键的赋能作用。这种分生赋能可以理解为一种细胞生物学层面的“发育上位性”：幼年叶发育程序中细胞的快速分化表现出对模式建成因子功能的上位性，后者只有在细胞分生速率适度且长期维持的成年叶生长程序中才能得以发挥。正如一颗好的种子，需要在肥沃的土壤里有合适的生长环境才能破土萌发、茁壮生长。除遗传调控网络和生化互作以外，这种细胞生长和发育模式的上位性关系，为形态建成提供了更大的演化空间。

SPL9通过创造合适的生长条件来赋能复叶调控因子以产生小叶形态

总之，该研究鉴定了一个受年龄调控的叶片生长发育新梯度，并研究了其在单复叶演化中的赋能作用。除了空间上的动态调整，该研究还定量阐释了分生进程的精确时间和剂量调控对形态建成的关键作用。例如，低剂量SPL9或者快速短期的细胞分生无法支撑叶缘锯齿的形成，而高剂量SPL9或者过长的分生期虽然有利于锯齿的建立，但这些“温室的小苗”并不能正常成长壮大。该规律也适用于包括医学工程在内的发育生物学设计。例如通过控制重编程因子对心肌细胞去分化而恢复其分生潜能，能够实现小鼠损伤心脏的再生；在此过程中，对心肌细胞再分生的速率和持续时间的控制最为重要：太弱不能帮助心脏再生，太强则“过犹不及”导致肿瘤的形成（Chen et al., 2021）。

该研究主要由厉新民博士完成，并得到Hannah Jenke，Soeren Strauss，王逸，Neha Bhatia，Daniel Kierzkowski，Rena Lymbouridou，Peter Huijser，Richard S. Smith以及Adam Runions 博士的大力帮助，Miltos Tsiantis教授为项目负责人。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。

Reference:

Tang, H.B et al. (2023) Anisotropic cell growth at the leaf base promotes age-related changes in leaf shape in Arabidopsis thaliana. Plant Cell; 35:1386-1407

Li, X.M. et al. (2024) Cell-cycle-linked growth reprogramming encodes developmental time into leaf morphogenesis. Curr. Biol.; 34:541-556.e15

Chen, Y.P. et al. (2021). Reversible reprogramming of cardiomyocytes to a fetal state drives heart regeneration in mice. Science 373, 1537-+. 10.1126/science.abg5159.

文章链接：

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(24)01007-8