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Plant Physiol:揭示水稻叶枕发育细胞学基础和调控机制

    5月12日,Plant Physiology在线发表了课题组与湖南农业大学肖浪涛团队题为“Dynamic cytology and transcriptional regulation of rice lamina joint development” 的研究论文。该研究通过系统的形态学和细胞学观察以及高通量基因表达谱分析,揭示了叶枕发育的细胞学基础和分子调控机制,为水稻叶倾角调控研究和株型改良提供了重要线索。


    水稻叶枕是叶片基部与叶鞘连接的带状部分,其发育过程中形成的叶鞘、叶片之间的夹角即为叶倾角,是构成水稻株型的重要因素之一。研究表明,适当的叶倾角有利于提高水稻光合效率,通过合理密植,能够有效提高产量。目前对水稻叶枕发育/叶倾角调控的研究多集中在对叶倾角变化的表型描述上,对其形成的细胞学基础和分子调控机理及互作调控网络的解析仍显不足。本研究对水稻叶枕发育过程进行了系统的形态学和细胞学观察,发现不同叶片叶倾角的增大呈现出相似的“S”形变化;切片分析表明叶枕发育中近、远轴面的薄壁细胞和厚壁细胞的大小和数目发生了剧烈变化,叶倾角增大主要是由两侧细胞的不对称分裂和延伸造成的。进一步利用全基因组表达谱芯片对叶枕发育涉及的生物学过程、基因表达变化和调控网络进行的系统研究表明,与叶枕发育中的细胞学变化相一致,细胞分裂与生长、激素合成与信号、转录因子、蛋白激酶等相关编码基因在叶枕不同发育时期具有特定的表达模式。

    植物激素是叶倾角形成的重要调节因子,通过测定叶枕不同发育阶段中的多种激素含量并结合一个生长素含量改变的水稻突变体(lc1-D)的基因表达谱,分析表明油菜素甾醇、生长素、赤霉素、细胞分裂素等在叶枕发育的早期促进细胞分化和生长;乙烯、茉莉酸、水杨酸等主要在后期调节叶枕的成熟、衰老和逆境响应;不同激素见通过互作调控了叶枕发育。这些结果初步阐明了叶枕发育的细胞学基础和形成机制,建立了叶枕发育的调控网络,对后续研究和株系改良具有重要指导意义。

    博士生周莉娟为论文第一作者。相关工作得到了国家自然科学基金委、国家科技部的资助。