水稻叶极性发育分子机制研究进展_范玉斌

第３２卷第１期２０１４年２月上海交通大学学报（农业科学版）ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＮＧＨＡＩ　ＪＩＡＯＴＯＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ）Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２０１４文章编号：１６７１－９９６４（２０１４）０１－００１６－０７　ＤＯＩ：１０．３９６９／Ｊ．ＩＳＳＮ．１６７１－９９６４．２０１４．０１．００４收稿日期：２０１３－０１－２２基金项目：国家８６３计划项目“强优势水稻杂交种的创制与应用”（２０１１ＡＡ１０Ａ１０１）作者简介：范玉斌（１９８６－），男，硕士生，研究方向：水稻分子生物学，Ｅ－ｍａｉｌ：ｆａｎｙｕｂｉｎ１３７１６８＠１６３．ｃｏｍ；梁婉琪（１９７３－）为本文通讯作者，女，研究员，研究方向：水稻发育生物学，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｑｌｉａｎｇ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ水稻叶极性发育分子机制研究进展范玉斌，梁婉琪（上海交通大学生命科学与技术学院，上海２００２４０）摘　要：水稻叶由叶片和叶鞘组成，连接叶片和叶鞘的叶枕上着生有叶舌、叶耳等结构。

叶片是水稻光合作用的主要器官，叶片的大小、形状和叶夹角是构成水稻株型的关键因素，对水稻叶片发育机制的阐释将有助于水稻株型改良和产量提高，而叶极性建立又与水稻叶片生长发育和形态建成密切相关。

基于此，本文对水稻叶极性建立相关基因及其分子机制的研究进展加以综述，以期为今后水稻株型改良提供一些参考。

关键词：水稻；叶；极性中图分类号：Ｓ５１１．０１ 文献标识码：ＡＲｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　Ｌｅａｆ　ＰｏｌａｒｉｔｙＥｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｉｎ　ＲｉｃｅＦＡＮ　Ｙｕ－ｂｉｎ，ＬＩＡＮＧ　Ｗａｎ－ｑｉ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｌｉｆｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌｅａｆ　ｏｆ　ｒｉｃｅ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ａ　ｌｅａｆ　ｂｌａｄｅ　ａｎｄ　ａ　ｌｅａｆ　ｓｈｅａｔｈ　ｌｉｎｋｉｎｇ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｌａｍｉｎａｒ　ｊｏｉｎｔ　ｔｈａｔ　ｃｏｎｔａｉｎｓａｐａｉｒ　ｏｆ　ａｕｒｉｃｌｅｓ　ａｎｄ　ｌｉｇｕｌｅｓ．Ｌｅａｖｅｓ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ｏｒｇａｎｓ　ｉｎ　ｒｉｃｅ．Ｔｈｅ　ｓｉｚｅ，ｓｈａｐｅ　ａｎｄ　ａｎｇｅｌ　ｏｆｌｅａｆ　ａｒｅ　ｏｆ　ｋｅｙ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｒａｂｌｅ　ｒｉｃｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌｅａｆ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｇｒａｉｎ　ｙｉｅｌｄｓ　ｏｆ　ｒｉｃｅ．Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆｐｏｌａｒｉｔｙ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｅａｆ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ　ｒｅｃｅｎｔ　ａｄｖａｎｃｅｓｏｎ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｌｅａｆ　ｐｏｌａｒｉｔｙ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｉｎ　ｒｉｃｅ，ｉｎｔｅｎｄｉｎｇ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｄｅｓｉｒａｂｌｅ　ｌｅａｆ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｉｃｅ；ｌｅａｆ；ｐｏｌａｒｉｔｙ 叶片是水稻（Ｏｒｙｚａ　ｓａｔｉｖａ）光合作用主要器官，是重要的“源”组织。

叶片大小、形状及叶夹角影响着叶面积指数、冠层光合效率等重要生理指标，从而影响水稻的产量；因此，叶片形态是水稻株型改良的主要对象之一［１］。

水稻叶发育分为叶原基起始、极性建立、组织分化和叶片延展等几个阶段，极性建立是影响叶片形态的重要过程。

叶作为一种不对称性的侧生器官，在发育过程中经历了３个轴向的极性建成：“基－顶”轴向（从叶基指向叶尖）、“近－远”轴向（上表面－下表面）和“中－侧”轴向（由中脉指向左右两边叶缘）［２］。

水稻叶呈带状，叶片位于叶的顶部，叶鞘位于叶第１期范玉斌，等：水稻叶极性发育分子机制研究进展的基部，与茎节相连，二者连接处具有叶枕、叶舌和叶耳等结构，叶舌分布在叶片近轴面。

叶片沿茎干排布并以一定叶夹角向外伸展。

水稻叶片沿近－远轴向呈极性分化，近轴面上表皮细胞中分布有由薄壁细胞组成的泡状细胞，居于２个维管束之间。

叶片维管束木质部位于近轴端，靠近上表皮；韧皮部位于远轴端，靠近下表皮。

与双子叶植物不同，水稻等单子叶植物叶肉细胞没有分化成栅栏组织和海绵组织，上下表皮中气孔数目也几乎一致，因此被称为等面叶；这种叶片结构形成与水稻叶片较直立、双面受光均匀的生长特性有关，但其具体分子机制目前还不清楚。

在叶片维管束的近轴和远轴端及叶鞘的下表皮均可发现有厚壁细胞［３］。

在过去的２０多年里，通过对双子叶模式植物拟南芥（Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ　ｔｈａｌｉａｎａ）叶发育缺陷突变体的系统分析，发现了多个参与叶极性建立的关键调节因子，并参与构成叶极性建成过程复杂调控网络；不过，目前有关极性建成调节因子在水稻等单子叶植物中的研究还较少。

尽管单子叶植物（水稻等）和双子叶（拟南芥）的叶具有相同生物学功能和类似的扁平形态，不过组成部分和结构特点不尽相同。

叶的极性建成机制同样在双子叶和单子植物中既有相似之处，也分别各具特点。

本文在对水稻叶极性建成分子机制研究进展综述基础上，将其与拟南芥等双子叶植物叶形态建成机制加以比较，以期为今后水稻株型改良提供一些参考。

１　基顶轴极性发育玉米（Ｚｅａ　ｍａｙｓ）和水稻等单子叶植物的叶枕包括叶舌和叶耳等特殊结构，具有连接叶片与叶鞘功能。

ＳＢＰ（ＳＱＵＡＭＯＳＡ　ｐｒｏｍｏｔｅｒ　ＢｉｎｄｉｎｇＰｒｏｔｅｉｎ）家族成员ＬＩＧＵＬＥＬＥＳＳ１（ＬＧ１）基因在单子叶植物叶舌等结构的发育中扮演重要角色，水稻ＯｓＬＧ１与玉米ＺｍＬＧ１、大麦（Ｈｏｒｄｅｕｍ　ｖｕｌｇａｒｅ）ＨｖＬＧ１具有高度同源性，主要在幼叶的叶枕部位表达。

ＯｓＬＧ１突变体缺少叶舌、叶耳及叶枕等基部组织，叶片与叶鞘连在一起；突变体呈现叶夹角变小和直立表型，与玉米ｌｇ１突变体、大麦ｌｇ突变体表型相似。

ＬＧ１基因的功能缺失影响了叶舌前体细胞的细胞分裂，但其具体分子机制还有待研究［４］。

双子叶植物拟南芥中ＬＧ１同源基因ＡｔＳＰＬ８并不参与叶片发育，而是参与调节花药早期发育；拟南芥叶片和叶柄交界处无叶舌和叶耳结构，这种功能上的分化是可以预期的［５］。

对单、双子叶植物叶片发育机制的研究发现，ＫＮＯＸ（ＫＮＯＴＴＥＤ－ｌｉｋｅ　ｈｏｍｅｏｂｏｘ）基因家族成员表达的正确关闭对于叶原基起始以及建立正确的叶片基顶轴十分重要［６］。

ＫＮＯＸ基因家族是植物中发现最早的具有同源异型盒的基因家族，依据其结构和功能特点可以分为２个亚家族，其中Ｉ类ＫＮＯＸ基因成员主要在茎尖分生组织（Ｓｈｏｏｔａｐｉｃａｌ　ｍｅｒｉｓｔｅｍ，ＳＡＭ）的不同区域中表达。

对于水稻、玉米和拟南芥等单叶类型的植物来说，Ｉ类ＫＮＯＸ基因的表达局限于ＳＡＭ和茎中。

当新生的叶原基在ＳＡＭ边缘起始时，Ｉ类ＫＮＯＸ基因的表达被关闭。

水稻中有７个Ｉ类ＫＮＯＸ基因，包括ＯＳＨ１、ＯＳＨ３、ＯＳＨ６、ＯＳＨ１０、ＯＳＨ１５、ＯＳＨ４３和ＯＳＨ７１，其中ＯＳＨ１、ＯＳＨ６、ＯＳＨ１５、ＯＳＨ４３和ＯＳＨ７１在叶片中的异位表达引起叶基顶轴发育的异常。

强表型植株表现为叶只有叶鞘部分，叶片部分发生缺失。

在表型较弱的植株中，叶片和叶鞘的分界线变模糊，叶鞘结构侵入到叶片的近轴面部分；在叶片和叶鞘的交界处叶舌叶耳结构通常发生缺失，而在叶片基部的近轴面处有异位的叶舌结构［７］。

在玉米ＫＮＯＴＴＥＤ１的显性突变体Ｋｎ１－ＤＬ中，由于ＫＮＯＴＴＥＤ１在叶片边缘或中脉远端的异位表达，引起叶边缘出现异位的叶鞘或是叶片分叉。

这些观察表明Ｉ类ＫＮＯＸ基因在单子叶植物叶的基顶轴特征建立，特别是叶片和叶鞘正确位置及交界处特征建立过程中具有保守的功能［８］。

２　近－远轴极性发育近－远轴极性建立是叶片正常发育，形成扁平、伸展形态的必须因素。

拟南芥和玉米研究结果表明，有多个转录因子基因家族参与调节叶近－远轴极性建立和维持，并有２条小ＲＮＡ途径控制这些转录因子表达，形成复杂调控网络。

目前水稻叶近－远轴极性发育研究还较少，探明水稻叶的近－远轴极性发育对了解水稻叶发育机制具有重要意义。

２．１　ＨＤ－ＺＩＰ　ＩＩＩ基因家族在叶发育中的作用同源异型－亮氨酸拉链（ＨＤ－ＺＩＰ）蛋白是植物特有的一类转录因子，包含１个高度保守的同源异型结构域（Ｈｏｍｅｏｄｏｍａｉｎ，ＨＤ）和１个亮氨酸拉链（ＬｕｃｉｎｅＺｉｐｐｅｒ，ＬＺ）结构域。

通过ＬＺ结构域相互作用，ＨＤ－ＺＩＰ蛋白以二聚体形式与靶ＤＮＡ结合。

根据ＨＤ－ＺＩＰ结合ＤＮＡ序列的特异性、基因结构、７１上海交通大学学报（农业科学版）第３２卷其他结构域的有无及其生物学功能，ＨＤ－ＺＩＰ转录因子家族可以分为４个亚类（Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ和ＩＶ）。

ＨＤ－ＺＩＰ　ＩＩＩ类基因参与茎尖分生组织的发育、生长素的极性运输、侧生器官近轴面特征建立等多个重要生物学过程的调节［９］。

拟南芥ＨＤ－ＺＩＰＩＩＩ基因亚家族有５个成员，其中ＰＨＡＢＵＬＯＳＡ（ＰＨＢ）、ＰＨＡＶＯＬＵＴＡ（ＰＨＶ）、ＲＥＶＯＬＵＴＡ（ＲＥＶ）３个成员参与了叶片近轴面特征建立，这些基因在拟南芥侧生器官中的表达呈极性进行分布，主要分布在近轴面区域，是侧生器官近轴面特征建立与维持的重要调控因子［１０］。

水稻中ＨＤ－ＺＩＰ　ＩＩＩ亚家族也有５个成员，包括Ｏｓｈｏｘ１０／ＯＳＨＢ１，Ｏｓｈｏｘ９／ＯＳＨＢ２，Ｏｓｈｏｘ３３／ＯＳＨＢ３，Ｏｓｈｏｘ３２／ＯＳＨＢ４和Ｏｓｈｏｘ２９／ＯＳＨＢ５［１１］。

拟南芥中ＨＤ－ＺＩＰ　ＩＩＩ基因亚家族成员的表达受到小ＲＮＡ分子ｍｉＲ１６６的调节，而序列分析表明水稻同源基因中都存在ｍｉＲ１６６的结合位点，推测水稻中这些基因的表达可能也受到小ＲＮＡ的调节。

ＯＳＨＢ１－ＯＳＨＢ４在水稻ＳＡＭ的中心区域、叶原基的近轴面细胞、叶片边缘区及维管束木质部中表达，而ＯＳＨＢ５仅在叶片韧皮部中表达。

目前在水稻中只分离到ＯＳＨＢ４的ＴＯＳ１７插入株系中并没有观察到明显表型改变。

相关研究证明，该类基因参与水稻叶近－远轴极性的建立，说明ＨＤ－ＺＩＰ　ＩＩＩ基因家族成员间可能存在功能冗余。