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基因决定植物叶片的独特形状

  • 作者:yincheng来源:生物360发布日期:2014-09-01 点击:
  • 核心提示:每种植物都具有一种独特的叶片形状,即使相同科的植物叶片形状也有差异。关于“叶片会是什么形状”的信息被储存在DNA中。根据德国MaxPlanck植物育种研究所的研究人员称,碎米荠的全裂叶形状归因于一个独特的基因。

    菠菜看起来一点也不像欧芹,罗勒与百里香也没有相似之处。每种植物都具有一种独特的叶片形状,即使相同科的植物叶片形状也有差异。关于“叶片会是什么形状”的信息被储存在DNA中。根据德国MaxPlanck植物育种研究所的研究人员称,碎米荠的全裂叶形状归因于一个独特的基因。这个同源框基因能够抑制小裂叶之间的细胞增殖和生长,使它们相互分离。拟南芥没有这个基因,因此,它的叶片不是全裂叶,而是简单完整的叶片形状。这项研究成果,发表在2014年2月14日的《科学》杂志上。

    MaxPlanck植物育种研究所的MiltosTsiantis及其同事,在比较十字花科两种植物时发现了这个新基因,这两种植物分别是:碎米荠,具有小叶组成的全裂叶;拟南芥,具有简单的倒卵形或匙形叶片。研究人员发现,RCO基因可使碎米荠的叶片形状更加复杂。拟南芥缺乏这个基因,因而也就缺乏小裂叶。RCO仅活跃在生长的叶片中。RCO能够确保在小裂叶形成位置之间的叶缘区域中,细胞增殖和生长是受阻的。Tsiantis解释说:“因为拟南芥叶片的生长并不受RCO基因抑制,因此叶片形状是简单和完整的。如果我们没有对比这两种植物,那么我们永远不会发现这种差异,因为很难在这个基因不存在的地方找到它。”

    通过碎米荠中的一个突变,科学家们首次确定了RCO基因。当缺乏功能性RCO基因时,碎米荠再也不能产生小裂叶。RCO基因属于一个基因簇(3个基因组成),它通过一个单基因的复制,出现在进化过程中。在拟南芥中,这个最初的三重基因簇现在由一个单基因组成。当科学家们在实验室中将RCO基因重新转入拟南芥后,其进化被部分地逆转。Tsiantis称:“拟南芥的简单圆形叶片发育为深裂叶。仅通过一个RCO基因的转移,叶片形状就再次变得复杂,这表明小裂叶形成的大多数机制肯定还存在于拟南芥中,并不会随着RCO基因一同丢失。”

    该研究团队还更加详细地研究了RCO序列,发现它是一个同源框基因。这些基因的功能就像是遗传开关,能够激活或关闭其它基因。科学家们还发现,RCO功能仅限于叶片形状;它并不能决定叶片是否形成。在碎米荠中,RCO基因缺失并不会产生任何其他可见的变化。因此,其效果仅限于对叶缘的生长抑制作用。在这里,RCO并没有对植物激素生长素产生影响。这种特殊性使RCO相比较迄今确定的其他基因,更可能是叶片形状进化的驱动力。Tsiantis及其同事计划在未来几个月内解码这个基因的具体功能。

    科学家们还研究了含RCO的基因簇中另外两个基因,这两个基因通过一个前体基因的复制,出现在进化过程中。他们想查明,RCO促进叶片复杂性的新功能是如何出现的。显然,主要功能差异在于基因的控制区,而非蛋白序列。控制区决定着相关基因何时及如何被读取。如果其它两个基因中的一个受到RCO控制区的影响,拟南芥就会形成复杂的叶片形状。因此,碎米荠的全裂叶主要归因于RCO基因的控制区。

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