王超群，賀亮亮，陳江華?

①中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園，昆明 650223；②中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

1 單葉和復(fù)葉的發(fā)育

葉是植物進(jìn)行光合作用的主要部位，在形態(tài)上表現(xiàn)出極大的多樣性，因此是研究植物復(fù)雜形態(tài)建成和演化的很好模型。自然界中的葉片包括單葉(simple leaf)和復(fù)葉(compound leaf)兩種最基本的類(lèi)型。單葉包含一個(gè)葉片單元；復(fù)葉由多個(gè)葉片單元，即小葉(leaflet)構(gòu)成。從生物學(xué)功能上來(lái)說(shuō)，每一個(gè)小葉等同于一個(gè)單葉，因此在植物演化歷程中，復(fù)葉的出現(xiàn)被認(rèn)為帶來(lái)了一定的優(yōu)勢(shì)，如提高光合效率、減少植食性動(dòng)物的損傷等[1]。根據(jù)復(fù)葉中小葉的數(shù)目和排列方式，復(fù)葉又可分為羽狀復(fù)葉、掌狀復(fù)葉、三出復(fù)葉和單身復(fù)葉等。此外，還有各種各樣的多級(jí)復(fù)葉，如二回三出復(fù)葉、多回羽狀復(fù)葉等。

葉的發(fā)育過(guò)程可以分為三個(gè)連續(xù)和交叉的事件：起始(initiation)、初級(jí)形態(tài)建成(primary morphogenesis)和次級(jí)形態(tài)建成(secondary morphogenesis)[2-3]。單葉和復(fù)葉都起始于莖頂端分生組織(shoot apical meristem, SAM)的側(cè)翼。單葉的初級(jí)形態(tài)建成是一個(gè)相對(duì)短暫和簡(jiǎn)單的形態(tài)改變過(guò)程：建立葉最基本的結(jié)構(gòu)框架，包括三維極性的建立，即近軸端-遠(yuǎn)軸端(也稱(chēng)基-頂軸向，proximo-distal)、近軸面-遠(yuǎn)軸面(也稱(chēng)背-腹軸向，adaxial-abaxial)、中-側(cè)軸(mediolateral)，以及葉各部分結(jié)構(gòu)(葉柄、葉片和葉邊緣等)初級(jí)形態(tài)的形成[2]。相比之下，復(fù)葉的初級(jí)形態(tài)建成包括一個(gè)特殊而復(fù)雜的發(fā)育過(guò)程，即小葉的形成，這一過(guò)程決定了復(fù)葉中小葉的數(shù)目和排列方式。不同植物中，保守或特異的遺傳因子協(xié)同調(diào)控復(fù)葉的初級(jí)形態(tài)建成和小葉的時(shí)空起始，最終導(dǎo)致了復(fù)葉形態(tài)的復(fù)雜性和多樣性(圖1)。小葉起始后，利用與單葉發(fā)育類(lèi)似的機(jī)制來(lái)建立其三維極性，并分化出各部分結(jié)構(gòu)。次級(jí)形態(tài)建成過(guò)程是指在已分化出的葉的基本結(jié)構(gòu)框架上，細(xì)胞進(jìn)一步特化出具有功能的組織結(jié)構(gòu)，如表皮細(xì)胞、柵欄組織、海綿組織和維管束組織等。次級(jí)形態(tài)建成在單葉和復(fù)葉中是比較保守的。下面著重探討復(fù)葉初級(jí)形態(tài)建成的分子機(jī)制。

2 KNOXI與復(fù)葉發(fā)育

復(fù)葉發(fā)育的分子機(jī)制研究最早始于番茄(Solanum lycopersicum)。早在20世紀(jì)90年代，Hareven 等人將玉米KNOXI基因(class I Knotted1-like homeobox)KN1在番茄中錯(cuò)位表達(dá)(misexpression)導(dǎo)致了超級(jí)復(fù)葉(supercompound leaf)的發(fā)生[4]。最近20多年中，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Neelima Roy Sinha等人深入研究了KNOXI基因在不同物種復(fù)葉發(fā)育中作用的廣泛性和保守性[5-6]。目前的研究表明，KNOXI調(diào)控復(fù)葉發(fā)育途徑是存在于包括番茄在內(nèi)的大多數(shù)植物中的保守機(jī)制，KNOXI的表達(dá)與復(fù)葉的形態(tài)之間有很高的相關(guān)性(圖1)。KNOXI基因首先是SAM的特征基因，它通過(guò)在SAM區(qū)域的特異表達(dá)來(lái)維持其無(wú)限生長(zhǎng)(indeterminancy)屬性。單葉植物葉發(fā)育過(guò)程中，KNOXI基因在葉原基中檢測(cè)不到表達(dá)；但是復(fù)葉植物中，葉原基從頂端分生組織側(cè)翼起始后，KNOXI在復(fù)葉原基中的表達(dá)激活了其無(wú)限生長(zhǎng)屬性，維持復(fù)葉原基的形態(tài)發(fā)生活性(morphogenetic activity)，從而促進(jìn)小葉原基的發(fā)生。以色列希伯來(lái)大學(xué)的Naomi Ori和Yuval Eshed等人以茄科植物番茄為模式材料，鑒定出許多控制復(fù)葉形態(tài)發(fā)生活性的關(guān)鍵遺傳因子，同時(shí)也揭示了生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素和赤霉素等重要植物激素對(duì)番茄復(fù)葉的可塑性發(fā)育調(diào)控十分重要[7-9]。這些研究極大地加深了對(duì)復(fù)葉形態(tài)多樣性形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

圖1 復(fù)葉的發(fā)育過(guò)程：(a)番茄不同發(fā)育時(shí)期的復(fù)葉原基。(b)蒺藜苜蓿不同發(fā)育時(shí)期的復(fù)葉原基。箭頭所示復(fù)葉原基和小葉原基；☆代表頂端分生組織；虛線代表小葉和小葉之間的邊界。(c)復(fù)葉發(fā)育過(guò)程示意圖

植物都會(huì)利用一些保守的因子來(lái)調(diào)控自身特有復(fù)葉形態(tài)的形成，但是有些植物也發(fā)展了一些物種特異因子來(lái)調(diào)控這個(gè)過(guò)程。近一二十年來(lái)，德國(guó)馬克斯·普朗克植物育種研究所Angela Hay和 Miltos Tsiantis等人對(duì)十字花科擬南芥(Arabidopsis thaliana)和其近緣復(fù)葉物種碎米薺(Cardamine hirsuta)的葉發(fā)育進(jìn)行深入和系統(tǒng)的比較研究[10-12]。碎米薺復(fù)葉形態(tài)建成也是由保守的KNOXI途徑調(diào)控，但是其物種自身特異因子如HD-ZIP I Homeodomain家族基因REDUCED COMPLEXITY(RCO)也被招募來(lái)調(diào)控這個(gè)過(guò)程[13]。同時(shí)，他們結(jié)合經(jīng)典的遺傳學(xué)和最新的基因組學(xué)、植物成像和建模技術(shù)，展示了基因的活性如何通過(guò)影響細(xì)胞生長(zhǎng)來(lái)調(diào)控葉器官形態(tài)建成，以及演化過(guò)程中如何改變器官的發(fā)育模式來(lái)決定復(fù)葉的最終形態(tài)的發(fā)生。這些研究進(jìn)一步促進(jìn)人們從多維角度，包括分子、細(xì)胞和演化等層面來(lái)理解復(fù)葉千姿百態(tài)形成的奧秘。

3 豆科植物的復(fù)葉發(fā)育

豆科植物呈現(xiàn)極其豐富的復(fù)葉形態(tài)多樣性，幾乎囊括了所有類(lèi)型的復(fù)葉模式，并且有許多植物表現(xiàn)為單葉結(jié)構(gòu)，如紫荊族分支和山螞蝗屬的部分植物[14]。豆科植物葉形態(tài)的多樣性是系統(tǒng)分類(lèi)學(xué)、形態(tài)發(fā)生學(xué)、進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)、遺傳學(xué)以及古生物學(xué)等學(xué)科的重要研究方向之一。同時(shí)，豆科植物在農(nóng)業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，一系列重要農(nóng)作物如大豆(Glycine max)、花生(Arachis hypogaea)等是人類(lèi)和動(dòng)物主要的植物蛋白及油脂來(lái)源。豆科多個(gè)模式植物已被用于復(fù)葉發(fā)育的研究，其中豌豆是最經(jīng)典的用于復(fù)葉發(fā)育研究的遺傳材料。在20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，英國(guó)約翰英納斯中心Julie Hofer和 Noel Ellis等人在豌豆(Pisum sativum)復(fù)葉發(fā)育的研究上做了系統(tǒng)的工作，克隆了很多葉形態(tài)突變體的基因，并提出豌豆復(fù)葉模式建成機(jī)制，為豆科植物的復(fù)葉發(fā)育機(jī)制研究奠定了基礎(chǔ)[15-17]。在20世紀(jì)末，我國(guó)豆科植物的功能基因研究始于植物學(xué)家羅達(dá)先生，他為這一領(lǐng)域培養(yǎng)了一批優(yōu)秀人才。

雖然KNOXI途徑在大多數(shù)植物的復(fù)葉發(fā)育中具有廣泛性和保守性，但在豆科植物的復(fù)葉發(fā)育調(diào)控機(jī)制上出現(xiàn)了分化[6,18]。目前已知，在屬于豆科IRLC(inverted repeat-lacking clade)分支的復(fù)葉發(fā)育中，KNOXI基因的作用完全被LFY同源基因UNIFOLIATA(UNI)和SINGLE LEAFLET1(SGL1)所代替[15,19]。而一些non-IRLC豆科植物，KNOXI和LFY對(duì)于維持復(fù)葉原基的形態(tài)發(fā)生活性都發(fā)揮著重要的作用[6,20-21]。但是我們也要知道，目前對(duì)于non-IRLC豆科植物，只有LFY基因的功能缺失突變體，而沒(méi)有KNOXI基因的功能缺失突變體報(bào)道，所以對(duì)于KNOXI基因在其復(fù)葉發(fā)育中究竟有何作用還不清楚。因此，探索KNOXI途徑和LFY途徑在豆科植物復(fù)葉形態(tài)多樣性形成中的作用機(jī)理是非常有趣的科學(xué)問(wèn)題。

豆科植物的復(fù)葉具有許多特化結(jié)構(gòu)，如位于葉柄基部包裹著葉柄的托葉、在葉或小葉最基部的葉枕以及豌豆復(fù)葉中的葉卷須。這些特化結(jié)構(gòu)都具有十分重要的生物學(xué)功能，為植物的生存提供了一些特殊的途徑，如托葉起到保護(hù)葉芽的作用，葉枕是豆科植物重要的運(yùn)動(dòng)器官，而葉卷須適應(yīng)了攀援運(yùn)動(dòng)的需要。對(duì)于這些特化結(jié)構(gòu)的發(fā)育控制，植物往往進(jìn)化出特有的調(diào)控途徑，目前已取得部分研究進(jìn)展[22-25]。未來(lái)對(duì)這些特化結(jié)構(gòu)的發(fā)生與其生物學(xué)功能的分子機(jī)制的解析及其進(jìn)化研究將是豆科生物學(xué)研究的熱點(diǎn)。

4 蒺藜苜蓿的復(fù)葉模式建成研究

紫花苜蓿(Medicago sativa)是世界上最著名的優(yōu)質(zhì)牧草，也一直是奶業(yè)和畜牧業(yè)的核心原料，素有“牧草之王”的美稱(chēng)。四倍體紫花苜蓿的基礎(chǔ)研究受到其本身遺傳特性的限制，一直進(jìn)展緩慢。最近，中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園陳江華團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)王文團(tuán)隊(duì)和邱強(qiáng)團(tuán)隊(duì)完成的新疆大葉紫花苜蓿的全基因組測(cè)序和基因編輯，為未來(lái)紫花苜蓿的分子定向育種打開(kāi)了一個(gè)新的窗口[26]。作為其近緣種的二倍體蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)是豆科生物學(xué)研究的主要模式植物，它原產(chǎn)于地中海地區(qū)，為豆科苜蓿屬一年生植物。野生型蒺藜苜蓿產(chǎn)生的第一片真葉是單葉，稱(chēng)為非成熟態(tài)葉；從第二片真葉開(kāi)始均為成熟態(tài)葉，呈現(xiàn)三出復(fù)葉結(jié)構(gòu)，其遠(yuǎn)軸端由一對(duì)側(cè)小葉和一個(gè)頂小葉構(gòu)成，近軸端為一對(duì)托葉包裹葉柄，側(cè)小葉與頂小葉的基部均有感應(yīng)晝夜節(jié)律變化的運(yùn)動(dòng)器官，即葉枕。自21世紀(jì)初，由于蒺藜苜蓿遺傳轉(zhuǎn)化效率高、基因組小并完成了全基因組的精確測(cè)序、自花授粉、生長(zhǎng)周期短、結(jié)實(shí)率高并具有豐富的突變體資源等優(yōu)勢(shì)，其成為豆科生物學(xué)及葉發(fā)育生物學(xué)研究的模式材料[27]。

蒺藜苜蓿復(fù)葉發(fā)育的詳細(xì)過(guò)程已被解析[19]。根據(jù)葉原基所處的葉間期(plastochron)可以定義葉的發(fā)育時(shí)期：最晚出現(xiàn)的葉原基為P1，次晚為P2……以此類(lèi)推，將要出現(xiàn)的下一個(gè)葉原基為P0。不同時(shí)期葉原基具有特定的形態(tài)特征。在P1期，葉奠基細(xì)胞在SAM上的周邊分生區(qū)凸起形成復(fù)葉共同原基，隨后發(fā)育出托葉原基；在P2期，一對(duì)側(cè)小葉原基和頂小葉原基分化出來(lái)，小葉原基之間形成邊界，彼此分離；在P3和P4期，表皮毛陸續(xù)從小葉原基遠(yuǎn)軸面發(fā)生，而小葉原基遠(yuǎn)軸面生長(zhǎng)發(fā)育速度快過(guò)近軸面，使小葉原基在近軸面形成凹陷，并進(jìn)一步發(fā)育成折疊狀；在P5期和隨后的時(shí)期，托葉和側(cè)小葉原基之間形成葉柄原基，側(cè)小葉和頂小葉之間接著形成葉軸原基，至此建成三出復(fù)葉的基本結(jié)構(gòu)。在此發(fā)育過(guò)程中，復(fù)葉的形態(tài)發(fā)生活性是如何維持和調(diào)控的，一直是人們關(guān)注的核心問(wèn)題。

研究發(fā)現(xiàn)：蒺藜苜蓿LFY同源基因SGL1被定義為葉形態(tài)建成的無(wú)限生長(zhǎng)決定因子(indeterminancy factor)，其維持早期復(fù)葉原基的形態(tài)發(fā)生活性，同時(shí)也決定一對(duì)側(cè)小葉的起始和發(fā)育；sgl1突變體側(cè)小葉不能形成，突變體表現(xiàn)為單葉結(jié)構(gòu)[19]。C2H2鋅指蛋白PALMATE-LIKE PENTAFOLIATA1(PALM1)是葉形態(tài)建成的有限生長(zhǎng)決定因子(determinancy factor)，它特異地在側(cè)小葉區(qū)域發(fā)揮作用，通過(guò)負(fù)調(diào)控SGL1的時(shí)空表達(dá)來(lái)抑制原基的形態(tài)發(fā)生活性；palm1突變體的5個(gè)小葉聚集在葉柄頂部，形成類(lèi)掌狀復(fù)葉模式[28]。最近發(fā)現(xiàn)的一個(gè)BEL1-like(BELL)亞家族同源異型結(jié)構(gòu)域(homeodomain)蛋白PINNATELIKE PENTAFOLIATA1(PINNAI)也是葉形態(tài)建成的有限生長(zhǎng)決定因子，它也是通過(guò)直接抑制SGL1的轉(zhuǎn)錄活性來(lái)調(diào)控葉形態(tài)發(fā)生活性。pinna1突變體的5個(gè)小葉以羽狀方式排列，額外增生的兩片小葉位于頂端小葉的基部，形成類(lèi)羽狀復(fù)葉模式；pinna1 palm1雙突變體產(chǎn)生二級(jí)復(fù)葉，最多可形成13片小葉(圖2)。PINNA1和PALM1通過(guò)協(xié)同作用(synergy)來(lái)調(diào)節(jié)SGL1基因在復(fù)葉發(fā)育過(guò)程中的時(shí)序表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)葉形態(tài)發(fā)生活性的精細(xì)控制，最終決定蒺藜苜蓿的三出復(fù)葉模式[18](圖3)。

圖2 蒺藜苜蓿不同突變體背景下的復(fù)葉模式。從左至右的突變體株系分別為elp1 sgl1雙突變體、elp1單突變體、palm1 elp1雙突變體、pinna1 elp1雙突變體、pinna1 palm1 elp1三突變體

圖3 蒺藜苜蓿復(fù)葉模式建立模型[18]

此外，蒺藜苜蓿的復(fù)葉模式建成過(guò)程中也涉及一些保守的信號(hào)途徑和關(guān)鍵因子的調(diào)控，包括葉背腹極性控制基因和生長(zhǎng)素等。最近研究人員發(fā)現(xiàn)控制葉片背腹極性的HD-zip III家族的REVOLUTA轉(zhuǎn)錄因子和控制生長(zhǎng)素合成的YUCCA酶，也同時(shí)參與蒺藜苜蓿的復(fù)葉發(fā)育[29-30]。這些研究預(yù)示著復(fù)葉形態(tài)發(fā)生活性的維持和葉原基背腹極性的維持及激素信號(hào)途徑之間有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。

5 小葉邊界劃分的分子機(jī)制

復(fù)葉以共同原基的形式從SAM周緣區(qū)起始，而KNOXI或LFY是維持早期復(fù)葉原基分生能力的關(guān)鍵因子，決定小葉原基的起始能力。從小葉原基的起始到形成最終的完整復(fù)葉形態(tài)，還涉及一個(gè)關(guān)鍵的生物學(xué)過(guò)程——小葉原基與共同原基間、小葉原基與小葉原基間邊界的劃分。其中，NAM/CUC轉(zhuǎn)錄因子保守地調(diào)控不同植物復(fù)葉發(fā)生過(guò)程中的小葉原基間邊界區(qū)的形成，相關(guān)基因的沉默或突變都能導(dǎo)致小葉不同程度的融合以及小葉數(shù)目的減少[31]。NAM/CUC基因在轉(zhuǎn)錄水平上受到miRNA164A的調(diào)控，碎米薺par突變體的miRNA164A功能缺陷，NAM/CUC基因的過(guò)量表達(dá)使小葉數(shù)目增多[32]。蒺藜苜蓿和番茄中都發(fā)現(xiàn)M類(lèi)KNOX蛋白參與調(diào)控小葉邊界的劃分和小葉數(shù)目的維持[33-34]。由此可以理解：在復(fù)葉的形態(tài)建成過(guò)程中，小葉數(shù)目的維持和小葉邊界劃分之間存在著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系；單葉和復(fù)葉的差異，不僅僅在葉原基分生組織活性的控制上，也在葉原基側(cè)緣不同區(qū)域邊界發(fā)育的控制上，植物有著精細(xì)而復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制來(lái)控制復(fù)葉的不同形態(tài)。如果能進(jìn)一步理解并闡明小葉數(shù)目的維持和小葉邊界劃分間的關(guān)系，將幫助我們更好地理解復(fù)葉形態(tài)建成的內(nèi)在過(guò)程。

6 不同物種復(fù)葉發(fā)育的比較

對(duì)不同植物復(fù)葉發(fā)育過(guò)程的研究，可以看出不同植物復(fù)葉形成既有相同之處，又各具特點(diǎn)。復(fù)葉發(fā)育的核心事件包括早期復(fù)葉原基的建立、復(fù)葉原基形態(tài)發(fā)生活性的維持、小葉原基的起始、葉片三維極性的建成等。小葉原基是按特定的方式沿著復(fù)葉基-頂軸向有序起始的。根據(jù)小葉起始方式不同，復(fù)葉發(fā)育可以分為向基式(basipetally)、向頂式(acropetally)和分支式(divergently)三種發(fā)育模式[35-36](圖4)。向基式發(fā)育是指復(fù)葉中靠近頂部的小葉原基最先起始，相鄰的小葉再起始，最后是基部的小葉起始。典型的有羽狀復(fù)葉的番茄復(fù)葉發(fā)育過(guò)程。向頂式發(fā)育是指復(fù)葉中靠近基部的小葉原基最先起始，最后是頂部的小葉起始。如：罌粟科花菱草，其基部側(cè)小葉原基先起始，沿著基-頂軸向逐漸起始頂部的側(cè)小葉原基；豌豆復(fù)葉的小葉形成也是向頂式發(fā)育，但是其頂端的卷須是向基式發(fā)育。分支式發(fā)育是向頂式發(fā)育和向基式發(fā)育的結(jié)合形式，如菊科蓍(shī)屬植物，其復(fù)葉初級(jí)側(cè)小葉為向基式發(fā)育，而二級(jí)側(cè)小葉為向頂式發(fā)育。目前對(duì)于這些不同的小葉發(fā)育模式研究只有一些形態(tài)學(xué)和組織學(xué)方面的工作，未來(lái)深入研究相關(guān)的分子調(diào)控路徑非常有意義，也能幫我們更好地理解復(fù)葉形態(tài)多樣性的形成機(jī)制。

圖4 復(fù)葉中小葉的發(fā)育方式，其中箭頭代表小葉起始的順序(修改自[36])

7 復(fù)葉的起源和演化

陸生維管植物葉的出現(xiàn)和早期演化是影響到整個(gè)地球生命的重要事件[37]。所有葉器官無(wú)一例外從莖頂端分生組織周緣區(qū)隆起發(fā)生，成熟后成為莖軸上特定形態(tài)的側(cè)生器官。它是一種有限的器官，與理論上無(wú)限生長(zhǎng)的莖頂端不同。葉原基的頂端生長(zhǎng)在個(gè)體發(fā)育的早期就停止了，接著是組織的特化、增大并成熟。因此，人們要問(wèn)：在植物演化的歷史上，無(wú)限生長(zhǎng)的莖頂端與有限生長(zhǎng)的葉側(cè)生器官之間的不同是如何產(chǎn)生的？換句話說(shuō)，有限生長(zhǎng)的葉器官是如何從無(wú)限生長(zhǎng)的莖頂端起源的？

齊默爾曼(Walter Zimmermann)1930年提出的頂枝學(xué)說(shuō)(telome theory)是迄今為止解釋現(xiàn)代陸生維管植物葉(大型葉，megaphyll)起源的一個(gè)較好的學(xué)說(shuō)，該學(xué)說(shuō)認(rèn)為大型葉起源于三維的分枝系統(tǒng)。原始的陸生植物為二叉分枝，兩個(gè)分叉出的頂枝束是大小、形態(tài)相似的，其中一個(gè)頂枝束經(jīng)歷漫長(zhǎng)的演化歷程發(fā)展成片化的葉器官(圖5)。一方面，KNOXI對(duì)維持頂枝束的無(wú)限生長(zhǎng)能力是必需的，有限生長(zhǎng)的葉器官的發(fā)生則必須抑制KNOXI基因的活性。有研究認(rèn)為，ARP基因拮抗KNOXI基因的活性在葉的起源和演化過(guò)程中發(fā)揮著保守而關(guān)鍵的作用[38]。另一方面，BELL、KNOXII與KNOXI蛋白來(lái)自于共同的祖先，KNOXII與BELL互作拮抗KNOXI的功能對(duì)有限生長(zhǎng)器官的屬性維持很重要，這一機(jī)制可能對(duì)頂枝向葉器官的演化有著重要意義[39]。

圖5 原始的陸生植物都是二叉分枝的，兩個(gè)分叉出的頂枝束是大小、形態(tài)相似的；在聳出的過(guò)程中，其中一束變長(zhǎng)變粗而演化成主軸，相應(yīng)地另外一束縮短成為側(cè)枝；原本朝向空間不同方向的頂枝在演化的過(guò)程中逐漸生長(zhǎng)到同一個(gè)平面上(扁化)；位于同一平面內(nèi)的各個(gè)頂枝以及中干被由薄壁細(xì)胞組成的一層組織連接到一起，形成一個(gè)獨(dú)立的器官(蹼化)(圖片修改自[37])

對(duì)于復(fù)葉的起源，化石證據(jù)表明被子植物的祖先的葉形態(tài)是單葉結(jié)構(gòu)，復(fù)葉是在單葉的基礎(chǔ)上多次演化的結(jié)果，并且一些復(fù)葉還會(huì)返回祖先的單葉形態(tài)。目前有兩種假說(shuō)來(lái)解釋復(fù)葉和單葉的演化關(guān)系[40]：第一種假說(shuō)認(rèn)為復(fù)葉中的每一片小葉都等同于一片完整的單葉，復(fù)葉被認(rèn)為是一個(gè)同時(shí)具有莖和葉特性的部分未決定的結(jié)構(gòu)，因此，復(fù)葉可看作是一個(gè)退化的莖分枝；第二種假說(shuō)認(rèn)為整個(gè)復(fù)葉等同于一片完整的單葉，每片小葉被看作是單葉上的突起，因此復(fù)葉被認(rèn)為是單葉的一種修飾(圖6)。基于“頂枝學(xué)說(shuō)”，Bharathan和Sinha等提出在被子植物進(jìn)化過(guò)程中，其祖先的單葉原基由于建立了KNOXI或LFY基因的表達(dá)，使其屬性由有限生長(zhǎng)態(tài)(determinacy)轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠譄o(wú)限生長(zhǎng)態(tài)，導(dǎo)致葉原基某些區(qū)域具有部分分生組織活性，這是復(fù)葉中小葉發(fā)生的基礎(chǔ)[41]。然而，對(duì)自然界中豐富多樣的復(fù)葉形態(tài)而言，僅僅依靠KNOXI或LFY基因的功能可能是難以完全實(shí)現(xiàn)的。如上所述，物種保守因子工作機(jī)制的多樣性和物種特異因子的多樣性都可能是復(fù)葉形態(tài)多樣性形成的原因。

圖6 復(fù)葉和單葉的進(jìn)化關(guān)系假說(shuō)，其中葉基部的綠色圓點(diǎn)代表腋芽分生組織(修改自[40])

在許多復(fù)葉植物中發(fā)現(xiàn)，一些基因的突變同時(shí)會(huì)影響到復(fù)葉和花的形態(tài)。LFY是花分生組織的特征基因，其在豆科植物復(fù)葉發(fā)育中的作用不言而喻，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)LFY對(duì)碎米薺和番茄的復(fù)葉形態(tài)有重要作用[42-43]。UFO基因編碼的F-box蛋白可以結(jié)合LFY蛋白，并導(dǎo)致LFY泛素化降解，因而對(duì)花的發(fā)育十分關(guān)鍵。無(wú)論碎米薺、豌豆、百脈根(Lotus japonicus)還是苜蓿，UFO都可能參與到復(fù)葉發(fā)育的調(diào)控中[17,43-44]。最近在蒺藜苜蓿中報(bào)道的一個(gè)AGFL基因也是同時(shí)控制了花和葉的發(fā)育[45-46]。從進(jìn)化的觀點(diǎn)來(lái)看，花被認(rèn)為是變態(tài)的葉，這給我們一個(gè)啟示，葉和花器官可能具有很多共同的機(jī)制來(lái)控制其復(fù)雜的形態(tài)建成。

8 展望

植物復(fù)葉的模式建成是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，受內(nèi)外環(huán)境因素、植物激素信號(hào)和植物發(fā)育過(guò)程中關(guān)鍵基因共同調(diào)控?；谝阎膯稳~發(fā)育和復(fù)葉發(fā)育中的分子機(jī)制的保守性和多樣性認(rèn)識(shí)，目前對(duì)于茄科植物番茄、十字花科植物碎米薺和豆科植物的復(fù)葉發(fā)育的研究取得較大的進(jìn)展，但是與單葉發(fā)育研究相比較，復(fù)葉發(fā)育的研究仍處于初級(jí)探索階段，其深入的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍然很不清楚。特別是豆科植物，不同物種間其葉形態(tài)相差甚遠(yuǎn)，呈現(xiàn)出豐富的葉模式。如在豆科植物中既有完全單葉結(jié)構(gòu)(如腎葉山螞蝗Desmodium renifolium)、類(lèi)單葉結(jié)構(gòu)(如羊蹄甲等)，又有羽狀和掌狀復(fù)葉，同時(shí)還有眾多的多級(jí)復(fù)葉模式等，這給復(fù)葉發(fā)育的研究既帶來(lái)挑戰(zhàn)又帶來(lái)眾多有趣的科學(xué)問(wèn)題。隨著眾多的植物基因組測(cè)序的完成以及新一代基因組編輯技術(shù)的不斷成熟，相信葉片復(fù)雜形態(tài)建成的分子機(jī)制研究將得到極大發(fā)展。