全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (12): 2091~2100　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.0443 2091
收稿 2015-08-14　　修定 2015-11-09
资助 浙江农林大学人才启动项目(2013FR084)和浙江省大学生
科技创新活动计划(新苗人才计划) (2015R412042)。
* 共同通讯作者(E-mail: wugang@zafu.edu.cn; E-mail: xuy-
unmin@zafu.edu.cn, Tel: 0571-63741826)。
植物叶片近-远轴极性建成研究进展
郑奔, 周冰莹, 吴刚*, 徐云敏*
浙江农林大学农业与食品科学学院, 植物遗传发育实验室, 杭州311300
摘要: 叶片近-远轴极性建成是一个重要的叶片发育过程。该过程与叶片光合作用等重要的生理过程密切相关, 受众多内
外环境因子所调控。本文介绍了叶片近-远轴极性的特征及发育建成过程, 探讨了近轴极性基因、远轴极性基因、小
RNA、YABBY家族基因、WOX家族基因和植物激素等在叶片近-远轴极性建成过程中的功能及相互关系, 总结了叶片近-
远轴极性建成相关的基因网络调控系统, 并对今后叶片近-远轴极性建成的研究方向及应用前景提出了一些见解。
关键词: 叶片; 近-远轴; 极性基因; 形态建成
Advance in the Study of Leaf Adaxial-Abaxial Polarity Development in Plants
ZHENG Ben, ZHOU Bing-Ying, WU Gang*, XU Yun-Min*
The Laboratory of Plant Genetics and Development, School of Agriculture and Food Sciences, Zhejiang Agriculture & Forestry
University, Hangzhou 311300, China
Abstract: The establishment of leaf adaxial-abaxial polarity comprises one of the most important aspects of
leaf development. Leaf polarity development is tightly related to a series of important physiological processes
such as photosynthesis, and it is under the regulation of both extrinsic and intrinsic cues. In this review, the ba-
sic characteristics and developmental process of leaf adaxial-abaxial polarity were introduced, followed by the
function of different abaxial genes, adaxial genes, small RNAs, YABBY genes, WOX genes, and plant hor-
mones in leaf adaxial-abaxial polarity development. The interaction between different regulators and gene net-
works controlling leaf polarity development were also summerized. Based on all available information about
leaf polarity development, the future direction of leaf adaxial-abaxial polarity development was brought for-
ward in this review as well.
Key words: leaf; abaxial-adaxial axis; polarity gene; morphogenesis
叶片是植物重要的营养器官, 行使光合作用、
气体交换和蒸腾作用等功能。成熟叶片在解剖学
结构上存在3个不对称轴: 中-边轴(central-lateral
axis) (由叶主脉指向叶边缘), 基-顶轴(proximal-distal
axis) (由叶基部指向叶尖部), 以及近-远轴(adaxial-
abaxial axis) [靠近生长点为近轴面(adaxial side),
远离生长点则为远轴面(abaxial side)] (严松等
2008)。叶片发育过程中, 在内部遗传因子及外部
环境因子的协调作用下, 按照上述3个不对称轴,
形成组织结构、细胞形态、生理功能的不对称性,
这种不对称性称为叶片极性(leaf polarity) (McConnell
和Barton 1998)。
叶片近轴面细胞呈长柱形、排列紧密且富含
叶绿体, 主要负责光合作用; 远轴细胞形状不规则
且排列疏松, 主要负责气体交换和蒸腾作用。此
外, 叶片中的维管束也存在近-远轴极性特征及功
能区分, 其木质部位于近轴面, 负责水分与矿物质
的运输, 而韧皮部位于远轴面, 负责糖类等有机物
运输(图1)。因此近-远轴极性建成是叶片光合作
用、蒸腾作用等功能行使的结构基础, 对该发育
过程开展研究具有重要的科学价值和应用前景。
结合本实验室近年来在拟南芥近-远轴极性建成方
面的研究积累, 我们综述了植物叶片近-远轴极性
建成最新研究进展, 并展望了叶片近-远轴极性建
成未来研究方向及应用前景。
1 植物叶片近-远轴极性起源及形态特征
植物叶片生长发育过程主要如下: 茎尖分生
组织(shoot apical meristem, SAM)外周特定区域形
成细胞突起, 随后发育形成叶原基, 叶原基经生
植物生理学报2092
长、分化发育最终形成成熟叶片。叶原基发育过
程中, 靠近SAM一侧发育为叶片近轴面, 而远离
SAM一侧则发育为叶片远轴面。叶片近-远轴极
性建成研究最早见于马铃薯(Solanum tuberosum)
叶原基离体培养实验, 研究发现新生叶原基剥离
SAM进行离体培养时, 发育形成中-边轴伸展缺陷
的条状叶片。解剖学观察发现, 上述畸形叶片近-
远轴极性形态学特征发生变化, 呈现出维管束中
的韧皮部包围木质部的特征。此后, 对番茄的研
究中也得到了相似的结果。由此可知SAM对于叶
片极性形态建成及维持具有重要作用, 仅具有单
面极性无法发育形成正常形态叶片(Reinhardt等
2005)。
对模式植物拟南芥的研究发现, 野生型拟南
芥叶片除典型的双子叶植物形态学和解剖学结构
特征外, 其近轴面叶色深、有光泽、表面有表皮
毛覆盖; 而远轴面则叶色浅、无光泽、早期发生
叶片(即幼年叶)远轴面无表皮毛、后期发生叶片
(即成年叶)远轴面有表皮毛。叶片远轴面表皮毛
发生与否是区分鉴别拟南芥幼年与成年状态的重
要形态学标记(Telfer等1997), 由此可知叶片极性
建成与植物发育时序性(developmental timing)间存
在着一种目前尚未探讨的、未知的相关性。
叶片远轴面极性缺失或近轴面极性增强会造
成叶片发生近轴化, 叶片远轴面原本形状不规则
且间距大的细胞变为外形规则、间隙减小的细胞,
产生类似于近轴面的细胞特征, 并且叶片颜色加
深、有光泽、叶缘上卷(图2-A); 叶片近轴化剧烈
时, 叶片在生长过程中无法正常舒展, 呈现卷曲状
叶片, 并且叶片远轴面具有针状突起结构(Eshed等
2004)。反之, 叶片近轴面极性缺失或远轴面极性
增强会造成叶片发生远轴化, 叶片近轴面细胞间
距增大, 而远轴面细胞形态趋于规则、细胞密度
增加(Wu等2008)。远轴化叶片表现出叶边缘下卷
(图2-C), 而远轴化严重的叶片将发生皱缩且不能
正常扩展(McConnell和Barton 1998)。
叶片维管束在叶片近-远轴极性变化过程中
也存在类似的结构变化特征(图3)。近轴化叶片中,
木质部生长发育旺盛于韧皮部, 最终木质部会包
围韧皮部(图3-A); 与之相反, 远轴化叶片中, 其维
管结构中的韧皮部生长发育旺盛于木质部, 最终
韧皮部会逐渐包围木质部(图3-C) (Bowman等
2002; Carlsbecker和Helariutta 2005)。
2 叶片近-远轴极性建成的基因调控网络
植物叶片近-远轴极性基因研究最早见于金
鱼草(Antirrhinum majus) phantastica (phan)缺失突
变体研究。phan缺失突变体叶片表现为近轴面细
胞形态缺陷, 显示出远轴面的细胞形态; 叶片维管
束解剖结构显示, phan缺失突变体叶片维管束中的
韧皮部包围着木质部 , 为典型远轴化叶片特征
(Waites和Hudson 1995)。PHAN编码一个含MYB
图1 叶片近-远轴极性特征的模式图
Fig.1 The structure of leaf adaxial-abaxial polarity
图2 叶片近远轴极性形态模式图
Fig.2 The polarized morphology of leaves
根据Liu等(2011)文献修改。A: 近轴化形态; B: 正常形态; C: 远轴化形态。
郑奔等: 植物叶片近-远轴极性建成研究进展 2093
结构域的转录因子, 为叶片近轴极性建成功能基
因(Waites等1998), PHAN极性基因的研究为后续叶
片极性基因及其调控网络的研究提供了良好的开
端。随着拟南芥、水稻、玉米等植物全基因组测
序完成, 以及遗传学、分子生物学等研究手段的
不断改进, 人们发现植物叶片近-远轴极性建成涉
及复杂的基因调控网络, 主要包括近-远轴极性基
因、近-远轴边界相关基因、小RNA和植物激素
等, 上述各因子间通过协同或拮抗作用来调控叶
片近-远轴极性建成。
2.1 叶片近轴极性基因
2.1.1 HD-ZIP基因家族
HD-ZIP (homeodomain-leucine zipper)家族基
因编码一类植物特有的转录因子, 由DNA-同源结
构域和Leu zipper (Zip)元件组成。HD-ZIP转录因
子具有4个亚族(HD-ZIP I~IV), 具有不同的功能(王
宏等2013)。
2.1.1.1 HD-ZIP III基因家族
HD-ZIP III蛋白含有N端的DNA结合结构
域、蛋白二聚化所需的亮氨酸拉链结构域、油脂
或固醇类结合结构域、C端响应刺激的PAS-like
MEKHLA结构域(Yamaguchi等2012)。
拟南芥中HD-ZIP III基因家族包括REVOLUTA
(REV)、PHABULOSA (PHB)、PHAVOLUTA (PHV)、
ATHB8和ATHB15 [也被称作CORONA (CNA)和IN-
CUVATA4]。REV、PHB和PHV功能冗余, 属于
REV亚家族, 表达于SAM中心区域、叶原基近轴
面及维管束木质部区域 , 参与控制SAM细胞分
裂、叶片近轴极性维持及维管束结构分化(Otsuga
等2001; McConnell等2001)。拟南芥rev缺失突变
体叶片形态缺陷不显著, 仅表现出叶片细胞分裂
异常及叶边缘下卷(Otsuga等2001; McConnell等
2001)。REV亚家族基因双缺失突变体或三缺失突
变体则表现出明显的缺陷表型, rev phv双缺突变体
叶基部发生远轴化而形成喇叭状结构(Prigge等
2005); phb phv rev三缺突变体SAM发生缺陷, 仅产
生远轴化的子叶(Emery等2003)。反之, PHV和
PHB显性突变体的叶片则发生近轴化, 形成外周为
近轴极性特征的放射状叶片(McConnell和Barton
1998; McConnell等2001)。ATHB8和ATHB15仅表
达于维管束组织, 通过调控维管束近轴面生长素
的含量及分布来影响维管形成层的分化过程。
ATHB8缺失突变体中维管束的形成不受影响 ;
ATHB8异位表达植株的木质部生长增强, 表现出近
轴化的特征(Baima等2001)。
2.1.1.2 HD-ZIP II基因家族
HD-ZIP II基因家族转录因子的结构特征同
HD-ZIP III相似, 包括ARABIDOPSIS THALIANA
HOMEOBOX 2 (ATHB2)、ATHB4、HOMEOBOX
ARABIDOPSIS THALIANA 1 (HAT1)、HAT2和
HAT3基因。HD-ZIP II家族基因受远红光/红光比
例的调控, 参与控制植物的避荫反应。HD-ZIP II
家族基因间功能冗余, HAT和ATHB4具有在叶原基
和鱼雷胚时期子叶近轴面表达的极性模式。hat3
athb4双缺突变体表现出个体小、子叶发育缺陷、
体内生长素减少且分布不均匀、叶片为远轴化的
辐射状(Bou-Torren等2012; Turchi等2013, 2015)。
2.1.2 ARP基因家族
ARP基因家族包括拟南芥ASYMMETRIC
LEAVES1 (AS1)、玉米ROUGH SHEATH (RS2)及金
图3 叶片维管束木质部(黑)韧皮部(灰)模式图
Fig.3 The structure of vascular bundles (xylem, black; phloem, grey) in leaves
根据Carlsbecker和Helariutta (2005)文献修改。A: 近轴化形态; B: 正常形态; C: 远轴化形态。
植物生理学报2094
鱼草PHAN基因。ARP基因家族编码一类MYB转
录因子, 可与其他蛋白形成复合体以调控叶片近
轴面特征(Fukushima和Hasebe 2014)。
拟南芥中, AS1与AS2蛋白互作形成复合体共
同调控叶片近轴极性(Xu等2003), AS2基因编码植
物特有LATERAL ORGAN BOUNDARIES (LOB)
结构域蛋白。as1与as2缺失突变体具有相似的叶
片缺陷表型, 表现出叶面褶皱、叶片不对称且叶
边缘下卷、茎生叶深裂及产生附属小叶。但不同
于AS1过表达植物, AS2过表达植物具有近轴化极
性特征, 植株叶片边缘上卷, 剧烈时叶片收缩成放
射细条状, 且叶片远轴面产生向外生长的手指状
附属结构; 叶片维管束中也表现出木质部发育强
于韧皮部的特征(Semiarti等2001; Iwakawa等2002;
Lin等2003; Xu等2003)。此外, 远轴面异位表达
AS2也表现出近轴化表型(Wu等2008)。
2.2 叶片远轴极性建成基因
2.2.1 KANADI基因家族
KANADI (KAN)属于GARP家族的转录因子,
表达于叶原基的远轴面和维管组织中的韧皮部,
参与远轴极性维持与近轴极性的抑制(Kerstetter等
2001)。拟南芥中, KAN家族包括4个功能冗余基因
(KAN1~4), KAN家族基因单缺突变体无缺陷表型
或缺陷表型不明显。KAN家族基因双缺突变体或
三缺突变体表现出剧烈的远轴极性缺陷表型。
kan1 kan2双缺突变体和kan1 kan2 kan3三缺突变体
叶片剧烈向上收缩, 呈现近轴化的辐射纤维状特
征(Eshed等2001, 2004)。KAN基因过表达可导致
SAM和子叶维管束发育缺陷。近轴面异位表达
KAN导致植物叶片变窄且无法展开, 子叶近轴面产
生远轴面的结构特征(Eshed等2001)。
水稻叶片极性研究发现一个属于KAN家族的
SHALLOT-LIKE1 (SLL1)基因。SLL1表达于水稻叶
片远轴面, sll1缺失突变体叶片远轴面叶肉细胞发
生程序性死亡, 叶片远轴面极性特征缺失, 转变为
近轴面极性特征, 产生富含叶绿体的叶肉细胞, 叶
片的光合作用增强。SLL1过表达则出现远轴化特
征, 表现为韧皮部发育增强、栅栏组织发育受到
抑制(Zhang等2009)。MILKWEED POD1 (MWP1)
是玉米中的KAN家族基因, 野生型玉米苞叶近轴面
细胞呈规则长方体状、表面平滑且具有少量细针
状表皮毛; 苞叶远轴面细胞呈圆形、表面附着大
量表皮毛; 玉米mwp-R功能获得型突变体中, 苞叶
近轴面细胞变圆、表面附着大量表皮毛, 即表现
出叶片远轴化特征(Candela等2008)。综上可知,
KAN家族基因是植物保守的叶片远轴面极性建成
基因。
2.2.2 ARF基因家族
AUXIN RESPONSIVE FACTOR (ARF)家族基
因编码响应植物生长素的转录因子, 包括ARF3 (也
称ETTIN)和ARF4。ARF3和ARF4功能冗余, 表达
于叶原基远轴面, 属于远轴极性建成基因(Pekker
等2005)。研究发现arf3或arf4缺失突变可抵消
KAN1异位表达引起的缺陷表型, 使得叶片形态近
似于野生型(Pekker等2005)。arf3 arf4 双缺突变体
与kan1 kan2双缺突变体表型相似, 叶片均表现出
近轴化, 表明ARF3和ARF4是维持叶片远轴极性特
征所必需的(Pekker等2005)。ARF3过表达不改变
叶片极性特征, 但对生长素响应能力增强, 植株营
养阶段转变加速(Pekker等2005; Hunter等 2006)。
2.3 小RNA调控叶片近-远轴极性建成
小RNA包括small interfering RNSs (siRNAs)、
tans-acting short interfering RNAs (ta-siRNAs)、mi-
croRNAs (miRNAs)等, 可以通过靶基因的mRNA
切割、蛋白翻译抑制、异染色质化及DNA甲基化
等作用形式调控靶基因的表达, 从而控制生物体
的生长发育过程, 新近研究表明小RNA还参与植
物近-远轴极性建成(Chitwood等2009)。
2.3.1 ta-siRNA参与叶片近-远轴极性建成
ta-siRNA由基因组中特定基因位点转录, 经加
工形成小分子RNA, 最后通过与不同位点的靶标
mRNA匹配而切割靶标mRNA (Allen等2005)。拟南
芥中有5个编码ta-siRNA的位点: TAS1a、TAS1b、
TAS1c、TAS2和TAS3。其中TAS3编码的ta-siR2141
和ta-siR2142 (tasiR-ARF)可直接负调控ARF3和
ARF4基因(Allen等2005)。tasiR-ARF转录本仅表
达于叶片近轴面, 而tasiR-ARF成熟体可从近轴面
移动至远轴面, 形成由近轴面向远轴面的从高到
低的浓度梯度 , 进而将ARF基因限制于远轴面
(Chitwood等2009)。AGO7表达于叶片近轴面, 参
与tasiR- ARF极性梯度形成(Iwasaki等2013; Xu等
2006)。miR390和RDR6参与tasiR-ARF加工形成过
郑奔等: 植物叶片近-远轴极性建成研究进展 2095
程, 而AS1/AS2蛋白复合体可间接激活该过程(Mont-
gomery等2008; Xu等2006)。此外, AGO7是稳定
TAS3 ta-siRNA形成与活性所必需的(Montgomery
等2008; Iwasaki等2013; Xu等2006)。
2.3.2 miRNAs参与叶片近-远轴极性建成
miRNAs是一种普遍存在于后生动物和植物
中的大小为21~24 nt的核酸分子。miRNAs可通过
靶基因mRNA切割或蛋白翻译抑制来调控靶基因
表达, 进而调控生物体生长发育过程(Wu 2013)。
植物极性建成相关的miRNAs及其靶基因包括:
miR165/166–HD-ZIP III (Juarez等2004)、miR396–
GRFs (Wang等2011a)和miR319–TCPs (Schommer
等2012)。
拟南芥和玉米中miR165/166与其靶基因HD-ZIP
III家族基因表现出互补的极性分布模式: miR165/166
积累于叶原基的远轴面, 而HD-ZIP III家族基因则
表达于SAM和叶原基近轴面(Juarez等2004)。
miR165/166不敏感型HD-ZIP III基因可解除miR165/166
的负调控作用, 使得不敏感型HD-ZIP III基因积累
于叶原基远轴面; 异位表达miR165/166可抑制近
轴面HD-ZIP III基因, 使得叶片发生远轴化(Zhong
和Ye 2007); 表明远轴极性miR165/166可通过抑制
近轴极性HD-ZIP III家族基因来调控叶片极性建
成。miR165/166–HD-ZIP III家族基因的极性分布
模式与AGO10相关, AGO10特异表达于SAM及叶
片近轴面, AGO10可特异识别结合miR165/166并
限制其功能行使, 从而参与调控叶片极性(Zhu等
2011)。此外, 玉米中研究报道显示miR165/166还
受近轴极性基因ta-siRNA抑制(Nogueira等2007)。
miR396通过负调控GRFs (GROWTH-REGU-
LATING FACTORs) 参与调控细胞增殖和分化过程,
进而影响叶片近 -远轴极性的建成 ( Wa n g等
2011a)。此外, miR396与miR390相似, 与RDR6共
同参与tasiR-ARF的加工合成途径, 以调控叶片极
性建成(Mecchia等2013)。
miR319的靶基因编码TCP家族转录因子 ,
TCPs通过抑制细胞增殖和促进细胞分化而调控叶
片的形态建成(Schommer等2012)。miR319过表达
或TCPs功能缺失均造成拟南芥叶片褶皱及缺刻增
多的极性变化表型(Palatnik等2003; Li等2012)。此
外, TCP3能直接正调控AS1或与AS2蛋白相互作用
后共同抑制class-1 KNOX基因, 进而参与叶片极性
建成过程(Koyama等2010; Li等2012)。
2.4 叶面发育(Lamina outgrowth)基因
植物叶片发育过程包括SAM外周细胞突起
(第1步)、叶原基形成(第2步)、叶面形成(第3步)
及生长(第4步)。其中, 叶面生长发育过程中(第
3、4步)叶片极性维持对于叶片极性建成也具有重
要作用, 该过程发生于叶边缘处的近-远轴毗邻区
(adaxial-abaxial juxtaposition), 主要参与基因包括
YABBY家族基因和WOX家族基因(Nakata和Okada
2013)。
2.4.1 YABBY基因家族
YABBY家族基因编码的蛋白含有一个保守锌
指结构域和一个HMG-like结构域。拟南芥含有6
个YABBY基因: FILAMENTOUS FLOWER (FIL)、
YABBY2 (YAB2)、YAB3、YAB5、CRABS CLAW
(CRC)和INNER NO OUTER (INO)。FIL、YAB2、
YAB3和YAB5表达于叶原基远轴面和叶片边缘区
域, 而CRC和INO仅在花中表达(Siegfried等1999)。
YABBY家族基因间功能存在冗余, 各自单缺突变体
无显著叶片极性缺陷表型, 但fil yab3双缺突变体叶
片极性分化缺陷, 产生近轴化的狭长叶。FIL过表
达拟南芥叶片发生远轴化, 且SAM也产生缺陷表型
(Siegfried等1999)。对fil yab2 yab3 yab5四缺突变体
研究发现, 其叶原基期的极性已建成, 但叶片后续
发育过程中极性不能被维持, 导致叶面发育缺陷,
表明YABBY功能不在于叶片极性初始的建成, 而
在于后续极性维持及叶面发育(Sarojam等2010)。
2.4.2 WOX基因家族
WUS-related homeobox (WOX)家族基因表达
于叶边缘的近-远轴毗邻区, 行使维持近-远轴极性
平衡和叶面发育的功能(Nakata等2012)。拟南芥
WOX基因家族包括PRESSED FLOWER (PRS)和
WOX1, PRS和WOX1功能冗余, wox1缺失突变体无
显著缺陷表型, prs wox1双缺突变体叶面生长缺陷
显著(Nakata等2012; Vandenbussche等2009)。遗传
关系分析显示, prs wox1双缺突变体可增强远轴极
性缺失突变体(kan1 kan2或fil yab3)的近轴化表型,
同时也可增强近轴极性缺失突变体(as2或rev)的远
轴化表型。但是, prs wox1双缺突变体仅表现为叶
边缘近-远轴极性缺陷, 表明PRS和WOX1主要负责
植物生理学报2096
叶边缘近轴极性和远轴极性的平衡(Nakata和Oka-
da 2013)。研究发现, WOX基因在促进叶面发育上
的作用位于近-远轴极性途径的下游, WOX基因可
在近-远轴极性基因的反馈调节下促进叶面的发育
(Nakata和Okada 2012; Yamaguchi等2012)。
2.5 植物激素调控叶片近-远轴极性建成
生长素是植物重要激素之一, 通过合成调控
或运输调控使得生长素在不同组织中形成浓度差
异, 进而调控植株生长发育过程。叶片极性建成
相关研究结果表明, 叶原基发生阶段, 生长素从叶
原基近轴面流向SAM, 造成叶原基近轴面瞬时低
浓度生长素状态 , 进而保证叶片正常极性建成;
IAA添加至叶原基近轴面可破坏叶片正常极性模
式, 使得近轴面产生远轴面的极性特征; 而IAA添
加至叶原基远轴面并不影响近-远轴极性建成; 表
明IAA从叶原基向SAM运输对于叶片极性建成具
有重要作用(Qi等2014; Pekker等2005)。
YUCCA (YUC)基因在生长素合成途径中发挥
重要功能, 拟南芥基因组共编码11个YUC基因。对
YUC基因研究表明, 生长素作用于近-远轴极性基
因途径下游, 具有促进叶面生长及叶边缘形成的
功能。拟南芥YUC基因表达于叶边缘及出水孔处,
yuc1 yuc2 yuc4 yuc6四缺突变体叶片狭窄且缺乏正
常叶缘特征。kan1 kan2或者as2 rev双缺突变体中,
YUC基因将在各自异位叶片处上调并促进异位附
属凸起物产生, 相对应的, 将YUCs突变引入kan1
kan2或as2 rev双缺突变体中可抑制异位叶片生长
(Wang等2011b)。
PIN-FORMED1 (PIN1)为生长素转运蛋白, 通
过响应近-远轴极性基因的调控而影响叶片极性建
成。kan1 kan2 kan4三缺突变体胚胎发育后期原本
集中于SAM的PIN1蛋白转移至下胚轴; phb phv rev
三缺突变体中, PIN1则作用于维管束的中间区域,
进而影响植物极性建成(Izhaki和Bowman 2007)。
此外, 一些早期生长素响应基因(如GH基因家族和
SAUR-like基因家族)还受到KAN1蛋白的直接抑制
(Merelo等2013)。
2.6 叶片近-远轴极性基因间互作
叶片近-远轴极性建成是一个复杂的生长发
育过程, 涉及众多调控因子。叶片近轴极性基因
正调控近轴极性建成, 对远轴极性建成起负调控
作用; 相对应的, 叶片远轴极性基因正调控远轴极
性建成, 对近轴极性起负调控作用。叶片由近轴
极性基因和远轴极性基因共同作用下完成极性建
成过程(图4)。
2.6.1 叶片极性基因间协同促进作用
在叶片极性建成过程中, KAN家族基因与YAB
家族基因间存在协同促进作用。YAB家族基因受
近轴极性基因和远轴极性基因双重调控, AS1/AS2
可负调控YAB, KAN和ARF则可正调控YAB (Eshed
图4 植物叶片近-远轴极性基因调控网络
Fig.4 The gene regulatory network for the establishment of the leaf adaxial-abaxial polarity in plants
郑奔等: 植物叶片近-远轴极性建成研究进展 2097
等2004; Fu等2007; Lin等2003), YAB又可反馈促进
KAN和ARF表达(Bonaccorso等2012)。kan1 kan2
kan3三缺突变中叶原基YAB3表达缺失; kan1 kan2
fil yab3四缺突变体叶片远轴面极性特征缺失, 呈现
剧烈近轴化的辐射状皱缩叶; 此外, KAN2异位表达
可造成FIL异位表达, 并产生远轴化特征(Eshed等
2004)。
KAN蛋白能与ARF蛋白互作形成蛋白复合体
(ETT-KAN protein complex), 该复合体通过生长素依
赖途径来调控植物生长发育过程(Kelley等2012)。
HD-ZIP III基因家族的REV可正调控HD-ZIP
II基因家族的ATHB2, 作用于胚胎期SAM区域以控
制生长素合成、运输和生长素响应基因表达, 进
而影响叶片极性建成(Turchi等2015)。此外, AS1过
表达植物中HD-ZIP III家族基因表达量显著上调,
而as1缺失突变体中HD-ZIP III表达量降低, 说明
AS1可正向调控HD-ZIP III家族基因(Fu等2007)。
2.6.2 叶片极性基因间拮抗作用
研究表明, KAN家族基因与HD-ZIP III家族基
因间存在拮抗作用。kan1 kan2 kan3三缺突变体中
HD-ZIP III家族基因在叶原基近轴面及远轴面均
过量表达(Eshed等2004); 反之, 异位表达KAN1或
KAN2可使得叶片产生与HD-ZIP III家族基因缺陷
相类似的远轴化叶片(Eshed等2004)。KAN家族基
因与HD-ZIP III家族基因还存在非直接的双向抑
制作用关系。此外, KAN1与REV在调控共同下游
靶基因上还存在相反的作用。例如, KAN1作为抑
制子调控生长素途径基因, 而REV则可作为激活子
调控生长素途径基因(Huang等2014; Reinhart等
2013)。
KAN1同AS2基因也存在拮抗作用。AS2基因
启动子区域含有KAN1转录因子的保守结合位点,
KAN1通过此结合位点直接结合抑制AS2基因在远
轴面表达; 此结合位点序列突变可解除KAN1对
AS2基因的结合抑制作用, 使得AS2基因在叶原基
远轴面异位表达(Wu等2008)。as2突变体中KAN1
基因表达上调, 表明AS2对KAN1也具有反向抑制
作用(Wu等2008)。
AS1/AS2蛋白复合体可通过tasiR-ARF间接调
控ARF3; 此外, AS1/AS2蛋白复合体还可通过结合
启动子或维持ARF3编码区DNA甲基化修饰来抑
制ARF3, 进而调控叶片发育(Iwasaki等2013; Ma-
chida等2015)。
另外Class I KNOTTED-LIKE HOMEBOX
(KNOX)家族基因与ARF家族基因同样存在拮抗作
用来调控叶片极性建成。KNOX家族包括KNAT1/
BREVIPEDICELLS (BP)、KNAT2、KNAT6和
SHOOT MERISTEMLESS (STM)。STM表达于SAM
中心区域, 可负调控ARP家族基因; KNAT1和KNAT2
表达于SAM周围区域, 受ARP家族基因负调控(Ori
等2000)。简单叶的叶原基中KNOX表达量低, 复
杂叶的叶原基中KNOX表达量高; ARP家族基因突
变后, KNOX家族基因的表达抑制被解除, 叶片边
缘缺刻加剧, 形成类似于复杂叶的结构(Bharathan
等2002)。
3 叶片近-远轴极性建成的研究展望
叶片近-远轴极性建成过程是叶片发育的关
键生物学发育过程。数十年的遗传学及分子生物
学研究已逐步揭示叶片近-远轴极性特征、极性建
成调控以及作用过程。未来植物叶片极性建成研
究有望揭示如下科学问题: 进化过程中植物基因
组中的极性基因变化及相应极性建成改变; 单子
叶植物及裸子植物极性建成与双子叶植物极性建
成的区别; 不同类型植物叶片的近-远轴极性模式
及其极性建成过程; 叶片近-远轴极性的起始信号
及作用过程; 叶片近-远轴极性建成相关极性基因
家族(如KAN家族、ARF家族、YAB家族、HD-ZIP
III家族等)间的遗传关系及作用过程; 极性基因家
族的上游信号因子及下游靶基因等等。
叶片是研究植物极性建成的最佳材料, 叶片
极性基因功能及其调控网络研究解析可为植物其
他组织器官建成发育过程研究提供参考。研究已
知除叶片极性建成外, 极性基因还参与调控植物
其他众多的形态建成过程, 比如调控茎中形成层
分化为木质部和韧皮部(Ursache等2014)以及根
(Singh等2014)和水稻颖花(Toriba和Hirano 2014)极
性结构建成等等。因此, 植物组织器官极性发育
调控基因网络阐明有望为调控经济植物叶形、株
型、根、花及果实的发育等提供指导。
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