水稻葉片結構的初步研究

葉片是水稻效益的重要器官，也是重要的“源”組織。葉片大小、形狀及葉夾角影響著葉面積指數、冠層光合效率等重要生理指標,從而影響水稻的產量;因此,葉片形態是水稻株型改良的主要對象之一水稻葉呈帶狀,葉片位于葉的頂部,葉鞘位于葉的基部,與莖節相連,二者連接處具有葉枕、葉舌和葉耳等結構,葉舌分布在葉片近軸面。葉片沿莖干排布并以一定葉夾角向外伸展。水稻葉片沿近-遠軸向呈極性分化,近軸面上表皮細胞中分布有由薄壁細胞組成的泡狀細胞,居于2個維管束之間。葉片維管束木質部位于近軸端,靠近上表皮;韌皮部位于遠軸端,靠近下表皮。與雙子葉植物不同,水稻等單子葉植物葉肉細胞沒有分化成柵欄組織和海綿組織,上下表皮中氣孔數目也幾乎一致,因此被稱為等面葉;這種葉片結構形成與水稻葉片較直立、雙面受光均勻的生長特性有關,但其具體分子機制目前還不清楚。在葉片維管束的近軸和遠軸端及葉鞘的下表皮均可發現有厚壁細胞在過去的20多年里,通過對雙子葉模式植物擬南芥(Arabidopsisthaliana)葉發育缺陷突變體的系統分析,發現了多個參與葉極性建立的關鍵調節因子,并參與構成葉極性建成過程復雜調控網絡;不過,目前有關極性建成調節因子在水稻等單子葉植物中的研究還較少。盡管單子葉植物(水稻等)和雙子葉(擬南芥)的葉具有相同生物學功能和類似的扁平形態,不過組成部分和結構特點不盡相同。葉的極性建成機制同樣在雙子葉和單子植物中既有相似之處,也分別各具特點。本文在對水稻葉極性建成分子機制研究進展綜述基礎上,將其與擬南芥等雙子葉植物葉形態建成機制加以比較,以期為今后水稻株型改良提供一些參考。1oslg1基因在葉舌等結構的發育中的作用玉米(Zeamays)和水稻等單子葉植物的葉枕包括葉舌和葉耳等特殊結構,具有連接葉片與葉鞘功能。SBP(SQUAMOSApromoterBindingProtein)家族成員LIGULELESS1(LG1)基因在單子葉植物葉舌等結構的發育中扮演重要角色,水稻OsLG1與玉米ZmLG1、大麥(Hordeumvulgare)HvLG1具有高度同源性,主要在幼葉的葉枕部位表達。OsLG1突變體缺少葉舌、葉耳及葉枕等基部組織,葉片與葉鞘連在一起;突變體呈現葉夾角變小和直立表型,與玉米lg1突變體、大麥lg突變體表型相似。LG1基因的功能缺失影響了葉舌前體細胞的細胞分裂,但其具體分子機制還有待研究對單、雙子葉植物葉片發育機制的研究發現,KNOX(KNOTTED-likehomeobox)基因家族成員表達的正確關閉對于葉原基起始以及建立正確的葉片基頂軸十分重要2轉錄因子家族對葉近-遠軸極性的影響近-遠軸極性建立是葉片正常發育,形成扁平、伸展形態的必須因素。擬南芥和玉米研究結果表明,有多個轉錄因子基因家族參與調節葉近-遠軸極性建立和維持,并有2條小RNA途徑控制這些轉錄因子表達,形成復雜調控網絡。目前水稻葉近-遠軸極性發育研究還較少,探明水稻葉的近-遠軸極性發育對了解水稻葉發育機制具有重要意義。2.1hd-復雜轉導體及分類同源異型-亮氨酸拉鏈(HD-ZIP)蛋白是植物特有的一類轉錄因子,包含1個高度保守的同源異型結構域(Homeodomain,HD)和1個亮氨酸拉鏈(LucineZipper,LZ)結構域。通過LZ結構域相互作用,HD-ZIP蛋白以二聚體形式與靶DNA結合。根據HD-ZIP結合DNA序列的特異性、基因結構、其他結構域的有無及其生物學功能,HD-ZIP轉錄因子家族可以分為4個亞類(I,II,III和IV)。HD-ZIPIII類基因參與莖尖分生組織的發育、生長素的極性運輸、側生器官近軸面特征建立等多個重要生物學過程的調節水稻中HD-ZIPIII亞家族也有5個成員,包括Oshox10/OSHB1,Oshox9/OSHB2,Oshox33/OSHB3,Oshox32/OSHB4和Oshox29/OSHB52.2水稻yb基因家族表達模式YABBY(YAB)基因家族是植物所特有轉錄因子家族,是最早發現參與調控側生器官極性發育的基因家族之一。YAB基因家族成員具有2個高度保守的結構域,C單子葉植物水稻的YAB基因家族表達模式和在葉發育中作用出現了分化,水稻YAB類基因進化出了獨特的生物學功能。水稻基因組中有8個YAB基因家族成員,這些基因的表達不同于擬南芥同源基因,并不呈現極性分布2.3iii基因表達KANADI(KAN)基因是一類植物特有的轉錄因子基因家族,其編碼一種包含GARP類型DNA結合結構域的Myb類轉錄因子。KAN基因和HD-ZIPIII基因在表達部位和功能上存在拮抗,主要在植物維管束的韌皮部、側生器官遠軸面表達,參與植物胚胎發育、葉片極性建立等過程雙子葉植株中的YAB和KAN基因均是控制葉片極性建立及發育的重要因子,KAN位于YAB基因上游,通過對YAB的調節間接參與葉片極性發育;而水稻YAB基因在葉片遠軸面厚壁細胞中表達,但并沒有證據說明水稻KAN基因維持YAB基因的表達參與調解水稻葉片遠軸面發育,這也充分說明了雙子葉和單子葉植物在葉極性發育的分子機制出現了分化。2.4mirna靶基因在生物細胞發育中的作用microRNA(miRNA)作為一種具有基因表達調節功能的小RNA分子,在植物生長發育關鍵時期轉換的過程中發揮著極其重要的生物學作用。在高等植物體內,miRNA靶基因大多數是編碼調節植物生長發育、信號轉導、蛋白降解、細胞發育及分化的轉錄因子,包括與器官極性建立相關調控因子。在擬南芥葉發育過程中,HD-ZIPIII基因家族成員在遠軸面的表達受到miR165/166負調控2.5遠軸面特征及其影響葉片發育的基因擬南芥葉發育過程中,生長素響應因子(AuxinResponseFactors,ARFs)ARF3、ARF4和YBBBY家族及KAN家族成員共同作用維持著葉片的遠軸面特征DICER-like1(DCL1)、ARGONQUTE1(AGO1)、HUAENHANCER1(HEN1)等蛋白是miRNA合成和發揮功能所必須的,這些蛋白功能缺陷將導致miRNA合成受阻或不能正常發揮功能,影響植物正常生長發育3特殊地對異質結構的認識植物葉中-側軸極性建立通常依賴于近遠軸極性的建立,近遠軸極性建立缺陷突變體中側生器官常常變成輻射對稱結構,不能形成扁平、展開的結構。目前對水稻中特異地參與中側軸極性建立機制了解得還很少。此前報道指出,水稻sho2突變體中可以觀察到葉片分叉或一側葉邊緣特征的喪失,并認為是SHO2的突變影響了水稻葉片中軸區域和2個側向區域的協同發育引起的,但其具體機制還有待進一步研究4家族成員基因型的變化對葉發育的調控植物側生器官極性建立是一個復雜過程,參與調控因子間形成相互調節和拮抗網絡。從目前的研究來看,控制側生器官極性發育的基因在單子葉和雙子葉植物中的功能相對保守,I類KNOX基因家族,以及HD-ZIPIII、KANADI和ARFs等基因家族的成員分別在雙子葉(擬南芥)和單子葉(水稻)葉基頂軸、近遠軸極性建立過程中功能相似;同時,參與水稻側生器官極性建立及發育過程的基因中還受小RNA-miRNA和ta-siRNA調控。不過,由于目前尚未分離到大部分家族成員突變體,基因間相作調節關系的研究還很難開展。同時,單子葉植物如水稻等葉發育還存在與雙子葉不同的獨特發育機制,如LG1在基頂軸以及單子葉所特有的葉舌、葉耳結構發育中作用與擬南芥同源基因的功能并不相同,這可能部分地解釋單、雙子葉植物葉結構差異。YABBY基因家族成員在擬南芥和水稻葉發育中功能截然不同,而YABBY家族在玉米葉發育中作用還不清楚,對這些家族成員功能研究將有助于水稻葉發育過程中復雜的調控網絡的揭示。水稻葉形態與水稻株型密切相關,通過改變葉片形態