果實是促進(jìn)被子植物輻射分化的創(chuàng)新性狀，含有多種維持人類生命健康的必需營養(yǎng)成分。經(jīng)過長期的自然選擇，果實在被子植物中呈現(xiàn)豐富的多樣性如顏色、形狀、大小和質(zhì)地等。通常，這些性狀與特定的種子散播策略高度適應(yīng)。既往研究陸續(xù)揭示了果實發(fā)育過程和相關(guān)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，但果實多樣化產(chǎn)生的分子進(jìn)化機制尚不明確。

 

　　十字花科是被子植物中具有經(jīng)濟價值的類群之一，其果實形狀呈現(xiàn)出豐富的變異式樣，是研究果實多樣化機制的理想材料。

 

　　中國科學(xué)院植物研究所科研人員與合作者，以十字花科具有心形角果的淡紅薺為材料，探討了果實形態(tài)建成和多樣化的分子進(jìn)化機制?；罴?xì)胞成像顯示，隨著淡紅薺心形角果發(fā)育，果瓣表皮細(xì)胞的分裂活性逐漸減弱，在心形角果形態(tài)建立后細(xì)胞分裂局限在果瓣頂端的邊緣區(qū)域；細(xì)胞極性生長從果瓣中部開始向頂端逐漸增強以促使果瓣頂端外凸生長，細(xì)胞分裂和極性生長共同決定心形角果的形態(tài)建成。這種互補的細(xì)胞分裂和生長的發(fā)育模式造成果瓣表皮細(xì)胞大小的異質(zhì)性。上述結(jié)論得到果瓣表皮細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序和發(fā)育軌跡重建結(jié)果的支持。

 

　　在基因調(diào)控層面，果瓣頂端的細(xì)胞分裂依賴于干細(xì)胞特征基因CrSTM的特異表達(dá)，其在果瓣中的表達(dá)被生長素信號激活；CrSTM蛋白通過識別其自身啟動子上的STM結(jié)合元件組成正反饋自調(diào)控環(huán)來維持其在果瓣頂端邊緣區(qū)域的表達(dá)；通過基因編輯，敲除STM結(jié)合元件能夠降低CrSTM及細(xì)胞分裂標(biāo)記基因的表達(dá)并影響果瓣發(fā)育。這表明，CrSTM在果瓣中的特異定位影響果瓣表皮細(xì)胞的分裂和生長模式，進(jìn)而調(diào)控果實的形態(tài)建成。研究人員在擬南芥中重建的STM正反饋環(huán)，可誘導(dǎo)果瓣表皮細(xì)胞產(chǎn)生額外的細(xì)胞分裂進(jìn)而改變果實的形狀。這說明，STM在果實中的核心功能是通過調(diào)控細(xì)胞行為來決定果實形狀。十字花科中，STM結(jié)合元件多次獨立起源。因此，研究推測，STM正反饋環(huán)的進(jìn)化或是促進(jìn)果實形狀多樣化的重要途徑。

 

　　上述研究在基因調(diào)控層面揭示了果實形狀多樣化的進(jìn)化機制，為剖析自然界中廣泛存在的形態(tài)多樣性的產(chǎn)生機制提供了線索，并為十字花科這一經(jīng)濟作物的遺傳改良提供了理論依據(jù)。

 

　　12月12日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-植物》（Nature Plants）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等的支持。該工作由植物所和英國牛津大學(xué)合作完成。