全 文 ：书禾本科植物叶形态发育的多阶段动力学模型
王伟光，王显国
（中国农业大学动物科技学院草业科学系，北京１００１９３）
摘要：禾本科植物叶的形态发育在细胞尺度上遵循着严格的动力学规律，其在环境影响下的可塑性是禾本科植物
叶片环境适应性的细胞学基础。近年来，禾本科植物叶形态发育的动力学分析方法已经成为植物生长发育及环境
适应性研究中一类重要的辅助研究工具。简介了禾本科植物多阶段动力学模型的一般建模思想，并结合国外研究
现状，从植物叶形态发育可塑性的角度简短分析了环境影响下禾本科植物叶发育适应性过程中宏观与微观尺度下
的动力学机制，有望对国内今后开展该领域的研究提供有益的参考作用。
关键词：禾本科植物；叶；生长区；动力学模型
中图分类号：Ｑ９４４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４５７５９（２０１２）０５０２９１１１
叶发育是禾本科植物营养生长过程及其适应性的最重要组成部分［１，２］。禾谷类作物一定时期内的产量与叶
指标如有效叶面积、光合速率等直接相关，且牧草的冠层生物量及植被净初级生产力（ｎｅｔｐｒｉｍａｒｙｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，
ＮＰＰ）也与其叶片发育存在着直接的相关关系［３５］。根据禾本科植物叶生长过程中的某些特点，在研究中采用适
当的数学模型对叶的形态发育动态进行动力学拟合可以大大简化数据的归类与分析过程，准确界定影响叶发育
的外界因素类型及其作用机制，并与植物的生理过程及各种微观调控机制相联系，达到互相印证的目的，因而具
有重要的理论及实际意义［６８］。
国外在２０世纪８０年代初即开展了对禾本科植物叶发育过程中的动力学模型的相关研究工作［９］。自２０世
纪９０年代末以来，国外一批植物形态学家及生理学家逐渐在研究植物器官生长、细胞发育过程及环境适应性等
方面的研究中发展出了一系列针对禾本科植物叶发育过程的动力学模型［６，９，１０］，并已在近２０年来大量用于一些
禾本科作物环境适应性的分子机制探索如水分亏缺及盐害［１，３，１１１３］、低温及矮化［１４１６］、胁迫条件下植物叶生长过
程中的酶调控［１７１９］、禾本科植物叶分裂过程中细胞周期基因与生长相关蛋白的表达与调控机制［２，２０２４］等的相关
研究，逐渐成为了实验中一类以数学手段定量表述禾本科植物叶形态发育过程的重要辅助方法。依据研究对象
尺度的不同，这些动力学模型又可以分为研究全叶发育情况的全叶发育（ｌｅａｆｇｒｏｗｔｈ）动力学［８，２５，２６］、叶生长过程
中其基部生长区长度及细胞特征的整体动态变化的叶片生长区（ｌｅａｆｇｒｏｗｔｈｚｏｎｅ）发育动力学［１０，２７，２８］、叶生长区
内单个细胞成熟动态的细胞流（ｃｅｌｆｌｕｘ）动力学［２９，３０］及位于叶生长区基部分裂区内处于分裂活动状态下的细胞
其周期变化动态及其可塑性的细胞周期（ｃｅｌｃｙｃｌｅ）动力学［２，３１］等不同的层次。这些不同对象、不同尺度的动力
学模型中，最具有代表意义的是近年由Ｈｉｌｉｅｒ等［６］完善的多阶段（ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ）动力学模型，首次结合了叶形态
发育的宏观与微观层次，以叶发育过程中一系列宏观尺度的动力学参数为主要指标，采用数学方法重新定义了叶
形态发育过程中的４个主要阶段。结合适当的参数（积温），可将叶发育过程中其基部生长区的整体动态及可塑
性机制与生长区内细胞分裂与细胞伸长生长的生理学及分子生物学意义相联系，具有统合国内外现行各种不同
尺度的叶发育动力学模型的潜力［６，７］。时至今日，国外已有一系列专题文章分别从不同角度阐述了这些禾本科
植物叶发育过程的动力学建模思想［６，８，１０］及叶发育适应性的动力学机制［１３，１１］，而目前国内对禾本科植物叶形态
发育的这种动力学辅助研究手段的认识仍然停留于起步阶段。虽然最近已有少数研究者从虚拟作物的角度对禾
本科植物叶的生长动态进行了一些工作［３２３４］，但依旧是零散的、孤立的，缺乏形态学及生理学意义，并且没有与植
第２１卷 第５期
Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５
草 业 学 报
ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ
２９１－３０１
２０１２年１０月
收稿日期：２０１１１０１８；改回日期：２０１１１２２８
基金项目：国家大学生创新计划（０８１００１９０８）资助。
作者简介：王伟光（１９８８），男，安徽蚌埠人，在读本科。Ｅｍａｉｌ：ｂｂｗｅｉｗｅｉｗ＠１６３．ｃｏｍ
通讯作者。Ｅｍａｉｌ：ｇｒａｓｓｃｈｉｎａ＠１２６．ｃｏｍ
物生长发育的客观规律相联系；另一方面，对于禾本科植物环境适应性机制的研究仍然是近年来植物生理学及生
态学的热门发展方向，可以断言叶生长的动力学建模手段在今后一段时间内也会继续成为此领域的一类重要辅
助研究方法。
从禾本科植物的形态发育过程入手，概要介绍了多阶段动力学模型的一般动力学建模思想，并结合国内外现
今该领域的主要研究方向，从植物叶形态发育可塑性的角度简短分析了环境影响下禾本科植物叶发育适应性过
程中宏观与微观尺度下的动力学机制，有望对国内今后开展该领域的研究提供有益的参考作用。
１ 禾本科植物叶的发育过程与多阶段（ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ）动力学模型
禾本科植物的叶由叶片及叶鞘两者构成，并由叶舌分隔，叶的生长区（ｌｅａｆｇｒｏｗｔｈｚｏｎｅ）位于叶基部［９，３５］。以
表皮细胞的演化进程作为标准，可将叶生长区分为两部分：１）分裂区（或称叶居间分生组织；ｌｅａｆｄｉｖｉｓｉｏｎｚｏｎｅ或
ｌｅａｆｉｎｔｅｒｃａｌａｒｙｍｅｒｉｓｔｅｍ），位于生长区基部，此处进行细胞的分裂；２）伸长区（ｌｅａｆｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｚｏｎｅ或ｌｅａｆｅｘｔｅｎ
ｓｉｏｎｚｏｎｅ），位于分裂区之上，进行细胞的伸长生长［２８，２９，３１，３６］。组织细胞不断由叶基部的分裂区产生，以细胞“流”
（ｃｅｌｆｌｕｘ）的形式进入伸长区完成伸长生长，而后进入成熟区，细胞壁停止伸长生长（即细胞的初生生长），并在随
后的生长过程中逐渐完成诸如次生壁沉积、叶肉发育、光合系统构建等次生生长过程［９］。整个生长区结构为旧有
叶的叶鞘所形成的环状结构（或称叶领；ｓｈｅａｔｈｔｕｂｅ或ｗｈｏｒｌ）所包被，起到保护的作用［３７，３８］。在叶居间分生组织
中，组织细胞同时进行分裂与伸长生长，而在伸长区细胞继续延长，但不再进行细胞分裂［９］。因此，就叶片的伸长
生长而言，细胞的分裂与细胞的伸长是两个相对独立的过程［１１，２９］。
在禾本科植物中，叶的发育不仅仅包含叶片的发育，也包括叶舌的形成及叶鞘的生长，当叶鞘完全停止生长
后，叶的发育才算完全，由新叶（ｊｕｖｅｎｉｌｅｌｅａｆ）变为成熟叶（ｍａｔｕｒｅｌｅａｆ）［３９，４０］。幼叶首先由分蘖生长锥顶部的叶
原基起始，进行各个方向的分裂，其长度的增大主要以细胞分裂为主，建成叶的居间分生组织（即叶分裂区）。尔
后，分生组织前段的表皮细胞逐渐转入伸长生长，持续进行延长生长直至细胞完全成熟，依次形成伸长区及成熟
区。因此，从时间角度而言禾本科植物叶的发育顺序是叶片—叶舌—叶鞘，成熟叶中叶片与叶鞘最终长度的比例
则由叶舌在叶居间分生组织中的出现时机决定［４０，４１］。
按照叶生长区的活动情况，可将禾本科植物叶发生至衰老的完整过程划分为以下几个阶段［１０，３２，４０，４２］，１）发生
期（ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｓｔａｇｅ），叶原基自植株分蘖的顶端分生组织出现；２）露尖前期（ｐｒｅａｐｐｅａｒａｎｃｅｓｔａｇｅ）：发生期后幼叶
在旧有叶叶鞘包裹下的伸长生长过程，新出叶尚未从旧叶的叶领处冒出；３）露尖期（ａｐｐｅａｒａｎｃｅｓｔａｇｅ），新出叶叶
尖自叶领（旧有叶叶鞘环抱新叶所构成的领状结构）处冒出成为可见叶，叶居间分生组织区域停止扩大，同时新叶
的叶舌（ｌｉｇｕｌｅ）自叶片基部形成；４）延伸期（露尖后期）（ｐｏｓｔａｐｐｅａｒａｎｃｅｓｔａｇｅ）：叶片露尖后的继续伸长，新叶的
叶舌自叶基部随细胞分裂逐渐上移，叶舌以下继续进行着细胞的分裂，开始叶鞘的建成；５）成熟期（ｍａｔｕｒｉｔｙ
ｓｔａｇｅ）：叶片生长速度逐渐降低直至停止，叶鞘部分继续生长，逐渐形成完整的叶领，最后叶片完全成熟，叶的伸
长生长结束；６）衰老期（ｓｅｎｅｓｃｅｎｃｅｓｔａｇｅ）：成熟叶的衰老过程。
相比单纯的时间尺度，积温更能从细胞水平及宏观尺度精确描绘禾本科植物叶的发育进程［２，１０，２６，４３］。若以
生长积温（有效积温）为横坐标，以生长速度为纵坐标，可将禾本科植物叶片的生长过程分为４个大的阶段，１）指
数期１（ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｐｈａｓｅ１）；２）指数期２（ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｐｈａｓｅ２）；３）线性期（ｌｉｎｅａｒｅｘｔｅｎｓｉｏｎｐｈａｓｅ）；４）衰减期
（ｐｌａｔｅａｕｐｈａｓｅ）［６，３８，４４，４５］。这４个阶段在细胞层面各自有其严格的对应关系：生长锥某节的叶片发生开始后，其
基部的分裂区首先建成，维持一个恒定的相对生长速率直至达到某个特定的长度，叶原基完全由具有分裂能力的
细胞构成，此阶段为指数期１，此时期的特征常数为叶组织的相对生长速率（ｒｅｌａｔｉｖｅｇｒｏｗｔｈｒａｔｅ，ＲＧＲ），对应着
一个特征性的常数Ｒａ；在指数期２，分裂区建成完毕，前端的细胞开始快速的伸长生长直至伸长区的完全建成，
此阶段幼叶的相对生长速率为Ｒｂ；一旦伸长区发育完毕，叶长度的增长即进入平稳增长的线性期，叶的生长速率
（ｌｅａｆｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｒａｔｅ，ＬＥＲ）对应第３个常数Ｒｃ；在叶发育后期，生长区长度逐渐缩短，叶的伸长生长速度迅速降
低直至完全停止，是为衰减期。不同种类的禾本科植物各生长期的相对长度差距很大，如水稻（犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪）的
线性期很短（２～４ｄ／２０℃），衰减期较长（８～１０ｄ／２０℃）［４５］；而对于高粱（犛狅狉犵犺狌犿犫犻犮狅犾狅狉）的自第８叶后，每片叶
线性期内的生长过程均是叶片长度的最重要组成部分［２６］。由于禾本科植物叶片发育依据其展开顺序而差异明
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显，因此用积温这一标准来区分禾本科植物叶各阶段的发育进程时，更能精确反映一些发育过程间的对应关
系［１０，４４］。
在不同的禾本科植物中，指数期１和指数期２各自的ＲＧＲ（Ｒａ、Ｒｂ）也有所差别，如小麦（犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻
狏狌犿）两者间差距明显［１０］，而在高粱叶片的发育过程中相近［２６］；但由于两者的生理学性质类似（均为区域的指数
型建成生长，即细胞流速率的导数为常数），因此在实际计算中为简便起见可将两者合并为一项［６，１６，４６，４７］，此处简
写为Ｒ１。在引入相应参数后，可利用动力学手段将禾本科植物生长过程中叶器官长度随环境有效积温的变化过
程作一数学建模，定量化表述禾本科植物叶在不同发育时期中生长特性的变化。设叶片在指数期的最大长度为
Ｌ１，其相对生长速率为Ｒ１；在线性期内的叶片最大长度为Ｌ２，其绝对生长速率为Ｒ２（即 Ｒｃ）；以环境积温（ｔ，
℃／ｄ）为自变量，以Ｌ０ 表示叶发育开始时（此时初始积温以Ｔ０ 表示）的叶初始长度，则积温ｔ时的叶片长度Ｌ可
表示为犳（狋；θ）：
犳（狋；θ）＝犔０ｅ犚１（狋－犜０），犜０＜狋≤犜１ （１）
犳（狋；θ）＝犔１＋犚２（狋－犜１），犜１＜狋≤犜２ （２）
犳（狋；θ）＝犔２，犜２＜狋 （３）
θ为样本参数的矢量［６］。设叶发育的初始积温为Ｔ０，则此时Ｌ（ｔ）＝Ｌ０；待积温达到Ｔ１ 时，模型则由指数期向线
性期转变，此时Ｌ（ｔ）＝Ｌ１。当积温达到Ｔ２ 时，器官生长停止，此时Ｌ（ｔ）＝ＬＭＡＸ。因此Ｌ１、ＬＭＡＸ可表示为：
犔１＝犔０ｅ犚１（犜１－犜０） （４）
犔犕犃犡＝犔１＋犚２（犜２－犜１） （５）
在叶发育指数期与线性期转折点附近，叶片生长率（ｌｅａｆｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｒａｔｅ，ＬＥＲ）可表示为
犔犈犚＝犔０犚１ｅ犚１×（犜１－犜０） （６）
此模型意味着禾本科植物叶片生长过程中其增长速率具有快速指数型生长—慢速线性增长—生长衰退—生
长停止的４个阶段过程。此模型还适用于诸多具有类似间接生长机制的植物器官，如根尖、茎尖等。对于禾本科
植物而言，此模型同样部分适用于叶发育过程中叶鞘及全叶生长速率的变化［６，４３］。
２ 禾本科植物叶形态发育的可塑性及其动力学分析
禾本科植物叶的生长过程中往往会遭遇一定程度的外来干扰（如根际高盐浓度、缺水、刈割或动物采食、环境
过热或过冷等），植株往往会表现出一系列的适应性机制，因此禾本科植物叶生长区的可塑性是禾本科植物叶片
环境适应性的基础。对于植物而言，环境因子对植物叶发育的影响可划分为无机因素（如环境温度、光照、水分
等）及有机因素（刈割、放牧、采食等）两个大的类别［３，４８］。虽然叶发育过程中环境适应性的具体表现千差万别，但
借助动力学分析方法，可将其简化为以积温为横坐标的动力学方程Ｒ１、Ｒ２、Ｔ１、Ｔ２、Ｌ１、Ｌ２ 等参数的变化，极大地
提高了叶生长过程数学描述的可行性和准确性，并与叶发育过程中的微观机理紧密联系。
２．１ 环境温度
环境温度对禾本科植物发育的影响部位位于叶基部的生长区，可以显著地影响叶片的形态发育进程［４９］。这
种响应相当快速，如野外条件下生长的沙生冰草（犃犵狉狅狆狔狉狅狀犱犲狊犲狉狋狅狉狌犿）及拟鹅观草（犘狊犲狌犱狅狉狅犲犵狀犲狉犻犪狊狆犻犮犪狋犪）
叶生长速度随日气温的变化而明显呈慢速上升－快速上升－下降的生长曲线，即参数Ｒ２ 的快速响应［５０］。各种
禾本科植物叶在生长过程中的积温与叶片生长的线性期起始（Ｔ１）与终止（Ｔ２）均呈显著相关，如小麦叶片最终长
度（Ｌ２）的９０％及线性期伸长生长长度（Ｌ２－Ｌ１）的８０％均与积温呈线性关系［５１］。环境温度对高羊茅（犉犲狊狋狌犮犪
犪狉狌狀犱犻狀犪犮犲犪）的叶生长也具有显著影响，经低温处理的高羊茅其叶片及叶鞘终长减少约３０％，出叶间期（ｐｈｙｌｏ
ｃｈｒｏｎ）上升约４０％，但叶本身的伸长生长速率（Ｒ２）不变［３０］。
２．２ 昼夜节律
在叶的形态发育过程中昼夜节律的影响是显著的。在叶的线性期，叶的伸长生长速度（Ｒ２）在不同昼夜节律
下具有明显差距，在暗周期中最快，暗周期－光周期交替照射时次之，光周期－暗周期再次，纯光周期最慢［５２］。
３９２第２１卷第５期 草业学报２０１２年
在春小麦中，除温度是影响植株出叶间期的最主要因素以外，其次即为光照条件［５３］。在２１℃恒定温度下的高羊
茅叶片在暗周期中的生长速度（Ｒ１＋Ｒ２）要比昼间快６０％～６５％［５４］。
２．３ 环境胁迫
作物水分亏缺及盐胁迫的动力学分析是本领域近年来的另一个研究热点。水分胁迫包括２个互相作用的主
要方面，即蒸汽压（ｌｅａｆｔｏａｉｒｖａｐｏｕｒｐｒｅｓｓｕｒｅ）及土壤水势（ｓｏｉｌｗａｔｅｒｐｏｔｅｎｔｉａｌ）。它们均可造成植物叶生长区
（Ｌ１）缩短、生长速率（ＬＥＲ）下降，但彼此间作用是独立的［２１，５５］。高浓度盐胁迫与水分胁迫类似，可显著影响植物
的生长，使得植物体内的矿物质营养元素失衡，进而在分子水平影响着植物体内的蛋白质合成等［５６］。在叶生长
发育过程中，高浓度的盐胁迫可导致禾本科植物叶生长周期（Ｔ２）的延长与叶生长速率（ＬＥＲ）的下降［５７５９］，使得
植物叶最终长度（ＬＭＡＸ）缩短，最终影响植物的冠层面积及光合产出［２７，６０］，在个体尺度还会显著降低植株的出叶
频率［６０，６１］。
２．４ 刈割
牧草刈割后叶片的再生是牧草刈割相应过程的重要组成部分。与其他胁迫反应类似（如高盐浓度、养分缺
乏、不良环境等），刈割也可导致牧草叶片生长速率（ＬＥＲ）的显著下降。刈割对牧草叶的生长的抑制效应是快速
且显著的，并能延续整个叶片生长周期，甚至影响植株后续叶片的延长生长，因此可以认为植株本身对叶片刈割
再生的调控是植株的一种主动响应过程［４８，６２］。牧草对于刈割再生的生理反应可分为２个连续的阶段，即短期效
应（１～２ｄ）及长期效应（１周以上）。在细胞尺度上，刈割对叶片的短期效应（１～２ｄ以内）主要表现为：１）生长区
长度（Ｌ１）缩短；２）成熟叶片表皮细胞长度的减少；３）生长区中部叶表皮细胞伸长速率的部分降低；４）分裂区细胞
产率的降低，但刈割对生长区基部（包括分裂区上部及伸长区下部）的细胞伸长生长无显著影响。刈割后叶片的
长期效应（以周计）则是叶生长速率（ＬＥＲ）及叶表皮细胞最终长度的持续降低［４８，６３］。
２．５ 叶鞘对禾本科植物叶片生长的限制效应
叶鞘的机械包被作用可以在一定程度上保护禾本科植物的新出叶，使其对外界环境如冷害等有一定的抵抗
性［１６］，但其对新出叶的生长也具显著的影响，因此露尖期是禾本科植物叶生长的一个重要转折点［１０，２６］。在自然
生长条件下，禾本科植物分蘖的叶鞘长度随着出叶次序而逐渐延长。与旧有叶相比，新出叶在生长区长度（Ｌ１）、
叶片生长速率（ＬＥＲ）的高低等也在很大程度上由旧有叶的叶鞘高度所决定［５８，６４］，这样就导致了禾本科植物分蘖
内出叶节律与叶片露尖周期间的差异性［２６，６５］。将叶领人为切开［３７］、低茬刈割（或家畜采食）［６２］后，旧有叶的叶鞘
部分移除可导致新出叶叶片延长速率减少，生长周期及叶片最终长度（ＬＭＡＸ）及叶鞘长度的下降。在细胞尺度
上，这种下降伴随着与叶生长区表皮细胞尺寸及细胞数量的显著改变，并与叶所受光照及叶生长区长度（Ｌ１）的
变化相关［３７］。从动力学角度而言，植株发育过程中旧有叶叶领高度（ｓｈｅａｔｈｔｕｂｅｌｅｎｇｔｈ）的变化也是造成禾本科
植物叶原基间期（ｐｌａｓｔｏｃｈｒｏｎ）及出叶间期（ｐｈｙｌｏｃｈｒｏｎ）间差异的重要组成部分［１０，４１］。
２．６ 叶器官内及相邻叶器官间形态发育事件的同步化现象与动力学分析
禾本科植物叶舌的出现与发育是其叶发育过程中的重要事件之一。禾本科植物叶发育中叶舌出现时其在生
长区的位置决定了该叶成熟后叶鞘与叶片的相对比例，如高羊茅叶发育过程中叶舌约在其叶片长度达到成熟全
长的２０％左右时从位于叶基部的分裂区出现［４１］。叶舌的出现与完全成熟虽然在禾本科植物叶的发育事件中占
有重要地位，但其本身的突变并不影响其他发育“信号”的继续表达。如玉米（犣犲犪犿犪狔狊）突变体ｌｇ１（ｌｉｇｕｌｅｌｅｓｓ
１，隐性纯合突变）缺失叶舌形成能力，但并不影响突变体叶片的正常发育进程［４０］。
与水稻等禾本科作物类似，在同一时间点上，禾本科植物分蘖内相邻叶间也具有较为显著的同伸长或同步化
（ｓｙｎｃｈｒｏｎｙ）关系。高羊茅同一分蘖内相邻３节叶的生长阶段间具有显著相关性，如第Ｎ（最老）叶的成熟（叶鞘
表皮细胞分裂停止）与第Ｎ１叶叶舌的形成同步，与第Ｎ２（最新，下同）叶原基的生长开始同步；第Ｎ２叶延长生
长的开始与第Ｎ叶的露尖同步，第Ｎ１叶成熟区的出现与第Ｎ叶的露尖同步，第Ｎ叶叶舌的出现与叶本身的露
尖同步［１０，３１，４１］，因此在实际操作中可以用相邻两叶的生长对应关系精确推测目标叶片的发育情况，在非破坏性实
验中计算新出叶在叶领中的发育过程动态［３０］。诸多禾本科植物体内这一系列复杂的组织—细胞同步化事件意
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味着植物体内无疑存在着一套精巧的调控机制协调相邻叶器官间发育过程的互相作用，但其内在机理还有待于
进一步研究。
禾本科植物出叶频率、叶的存活周期及叶的衰老三者间具有动态的调控关系［１０，４１，６５，６６］。一旦新叶叶舌露出
旧叶叶舌所形成的叶领，新叶叶片的生长即告停止，但叶鞘的生长会延续直至叶片完全成熟。因此，禾本科叶的
生长过程中会先后存在３个细胞有丝分裂中心（即叶居间分生组织），分别是叶基部（叶原基形成至叶片伸长生长
开始）、叶舌（叶舌出现至叶领成熟）及叶鞘（叶舌分裂停止至叶鞘生长完成）［４０］。三者之间的位置转换在时间上
是紧密相接的，其中位于叶鞘的居间分生组织除自身定型外，和腋芽（分蘖）的形成也具有明显的同步关系［３１］。
３ 叶形态发育动力学方程参数的分子生物学意义
从细胞尺度而言，多阶段动力学方程的各参数均有明确的分子生物学含义，这是以多阶段动力学方程描述禾
本科植物叶形态发育过程的另一个重要意义所在。如前所述，叶发育指数期（（Ｔ０ 至Ｔ１）的主要事件是生长区的
建成，包括分裂区及伸长区（即指数期１与指数期２），而线性期则是叶生长速率稳定的阶段。从细胞尺度而言，
指数期１的长短Ｔａ及Ｒａ的大小均与叶分裂区的细胞分裂能力有密切关系，而叶生长区细胞的伸长生长强度与
指数期２长度Ｔｂ、Ｒｂ、线性期长度Ｔ２ 及Ｒ２ 联系紧密，两者共同参与叶生长区（Ｌ１）的建成。禾本科植物叶的形
态发育主要通过其生长区长度、生长速度及出叶间期的变化来体现与维持，因此其背后的微观机理则是叶生长区
细胞分裂与细胞伸长生长参数的变化［７］，即叶分裂区的平均细胞周期决定了细胞产率，分裂区与伸长区细胞的伸
长生长速率决定了叶的生长速度（ＬＥＲ）［２］。
３．１ 叶分裂区细胞周期变化与叶形态发育多阶段动力学方程参数Ｒａ、Ｔ１、Ｌ１ 的分子生物学意义
禾本科植物叶分裂区的细胞周期在一定的环境胁迫下会发生变化，在宏观尺度上即导致了动力学模型参数
Ｒａ、Ｔａ、Ｌ１ 的相应改变。禾本科植物叶发育过程中的细胞周期调控模式可分为两大类，其一为细胞周期的改变
伴随着明显的细胞周期调控位点阻滞现象。这类检查点阻滞现象主要有２种情况：１）为Ｇ１Ｓ期占有优势，其分
子机制可能与ＣＤＫ复合体（ｃｙｃｌｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｋｉｎａｓｅｃｏｍｐｌｅｘ）活性的磷酸化调控有关，通过调控细胞Ｇ１Ｓ期的
过渡位点影响ＤＮＡ复制速率，从而改变细胞的有丝分裂进程。在植物叶发育过程中这种现象占据主要地位，如
夜间低温（昼夜温度２５／４℃ 对２５／１８℃）可使玉米叶片分裂区在昼间的细胞周期延长６５％、细胞产率下降２２％
并影响相关细胞周期基因的表达，在成熟细胞尺寸不受影响的情况下叶片最终长度降低２０％［２０］。水分胁
迫［６７，６８］、光胁迫［６９］、缺氮［２３］等也能导致类似的结果，这和胁迫条件下分裂区内大量细胞有丝分裂进程阻滞于Ｇ１
期检查点有关［７０７２］；２）为细胞于Ｇ２Ｍ期的阻滞位点占优势，在叶生长过程中此现象很少出现［６９，７３，７４］，因此可以
说明Ｇ１Ｓ事件是植物细胞分裂胁迫适应性的中心调控位点。其二为细胞周期的改变不存在明显的位点阻滞现
象，即分裂区细胞处于不同细胞周期的比例近似相等，此种情况在植物界中更加稀少［２］。在实验中，采用不同手
段如放射同位素示踪［６８，７０］、秋水仙素处理［６９］、流式细胞仪［２０］等对同种材料进行测试，其结果之间的差距往往也
很显著，这显然表明了现有实验手段的局限性，说明对Ｇ１ 检查点阻滞现象背后特征的进一步探索有待于日后新
手段的进一步发展［２］。此外，这一现象不仅发现于禾本科植物叶片分裂区内的表皮细胞，在其他一些类似（组织
细胞非同步分裂且细胞周期相近）结构的植物组织也有出现，如根尖、茎尖、双子叶植物的叶表皮发育或与表皮相
接的叶肉细胞等［２，６６，７２］。
关于Ｇ１ 检查点调控过程的分子机理，已有一些证据表明ＣＤＣ２基因编码的蛋白激酶（ｐｒｏｔｅｉｎｋｉｎａｓｅ）ｐ３４ｃｄｃ２
活性与植物细胞周期的可塑性有密切关系［７５，７６］，如在玉米叶片分裂区中ｐ３４ｃｄｃ２激酶活性的空间分布与以动力学
方法拟合的细胞分裂速率分布几乎一致，能够有效代表分裂区长度、细胞有丝分裂速率分布及细胞分裂对环境水
分、温度的适应性［７７］。叶生长时这类由基因驱动的表达调控相当快速，如小麦（犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿）在中度水分
胁迫（水势－０．３ｋＰａ）处理１ｄ后，分裂区叶肉细胞有丝分裂活性下降了４２％［６７］。有假说认为叶生长区胁迫适
应性的分子信号通路是来自植株其他部分（如成熟叶、根）感受胁迫后诱导初级信号，并由质外体或共质体途径特
异性运输至新出叶基部生长区的特定区域，促使ＣＤＣ２激酶活性端酪氨酸残基的磷酸化，使其转变为抑制构型从
而导致细胞有丝分裂速率的下降，因此Ｇ１Ｓ事件是植物细胞分裂胁迫适应性的中心调控位点。这一假说能够部
５９２第２１卷第５期 草业学报２０１２年
分解释小麦的水分胁迫现象［３，６７］，但这类信号通路的具体细节如激素种类、相互作用、运输途径、诱导方式等仍有
待于进一步的研究。
３．２ 动力学参数Ｔ２、Ｒ２ 与叶发育过程中的伸长生长因子活性变化
从细胞尺度而言，叶生长区细胞的伸长生长强度与动力学方程参数Ｔｂ、Ｒｂ、Ｔ２、Ｒ２ 均有密切关系。从分子
角度而言，植物细胞壁中木葡聚糖－纤维素微纤丝复合结构间的非共价相互作用是为细胞壁提供有效支撑及维
持细胞形状的主要作用力，是植物叶细胞生长的另一个主要调控位点［７８，７９］。在植物生长过程中，木葡聚糖内转
糖苷酶／水解酶（ｘｙｌｏｇｌｕｃａｎｅｎｄｏｔｒａｎｓｇｌｕｃｏｓｙｌａｓｅ／ｈｙｄｒｏｌａｓｅ，ＸＴＨ）及膨胀素（ｅｘｐａｎｓｉｎ）是植物细胞伸长生长过
程中的两大类关键酶，作用于细胞壁，重构细胞壁木葡聚糖－纤维素微纤丝复合结构间的非共价相互作用使其松
弛，从而在原生质体膨压参与下完成细胞的可控伸长生长过程［８０］，并能够响应激素或其他环境因素的调控作用，
是目前研究较多的２个主要调控关键酶类。已有证据表明两者均是叶生长区细胞的主要伸长生长因子，如在盖
氏虎尾草（犆犺犾狅狉犻狊犵犪狔犪狀犪）中，２００ｍｍｏｌ／Ｌ的ＮａＣｌ胁迫可使植株叶片生长区中的ＸＴＨ酶活性中的木葡聚糖
内转糖苷酶（ＸＥＴ）活性显著增加２倍以上，这显然与盐胁迫下叶生长速率的降低有密切关系［６０］。生长素及细胞
分裂素能够通过转录后机制调控大豆β膨胀素基因Ｃｉｍ１的转录水平，并促进其修饰及积累。在叶生长过程中
有某种内在性机制“窗口”限定了膨胀素的效果，只有在此阶段中，膨胀素基因的过量表达方可有效促进叶的生
长。已有证据表明这个“窗口”的存在可能是高等植物叶生长的关键调控机制［８１］。超量表达膨胀素编码基因
ＯｓＥＸＰ４的水稻群体叶生长速率显著提高，且在成年时绝大多数比对照至少多出２片叶，而反义表达群体则表现
出植株矮化、开花期提前的特征，其苗期生长也与膨胀素水平有显著关系，如胚芽鞘及中胚轴长度分别比对照增
加了３１％及９７％，在对照中分别下降了２８％及４３％，并且其下降幅度与植物组织细胞大小的变化相当［８２］。基
因对这些酶类的调控很可能是叶生长可塑性的分子基础。如对玉米在夜间低温胁迫下细胞产率的下降与细胞周
期抑制因子的差异表达及细胞分裂相关正调节因子的下调有关［２０］。对玉米的４个作图群体及相关导入系所进
行的ＱＴＬ分析表明，１９个ＱＴＬ位点均与玉米植株生长过程中的水分胁迫敏感性相关，具有复杂的多样性［２１］。
３．３ 叶发育线性期与生长决定因子假说
在禾本科植物的叶发育线性期，叶生长区（Ｌ１）已经完全建成，此时叶的生长需同时依赖于分裂促进因子及
伸长生长因子的两者共同参与。在这个过程中究竟是叶生长区的细胞分裂活动对叶生长率的贡献更大还是伸长
区的细胞伸长生长对叶生长率的贡献更大？近年来对此一直存在着２种相异的假说［２９，８３］。第一种观点的主要
依据是生长区内相对伸长生长速率（ＲＧＲ）的分布呈典型的钟形曲线，由此认为伸长区长度的大小是禾本科植物
叶生长的主要组成部分，而分裂区的细胞分裂过程仅仅是提供伸长生长的“原料”，是叶生长过程中的次要现象；
第二种观点则认为细胞产率是叶生长的基础，叶基部居间分生组织内细胞的分裂速率控制着叶生长的速率；若假
设实验中的胁迫处理及品种差异对叶表皮细胞的成熟长度无显著影响，那么分裂区的细胞产率显然会控制着细
胞成熟速率，并与伸长区长度和叶成熟速率有着直接关系［２９］。这２种假说在实验中都具有一定的证据支持，如
温度响应［５０］、盐害［６０］、刈割［４８，６２］等对叶生长的影响可以用前者解释，而缺氮［８４］、缺磷［７１］的实验结果则支持后者。
虽然近年来叶发育的分子动力学模型已经得到了初步完善，但诸如信号通路与生长发育间的联系、叶生长区中细
胞分裂生长与伸长生长的协调模式等依旧有待于进一步研究［７］。
４ 展望
禾本科植物叶形态发育的多阶段动力学模型较为成功地从理论角度为禾本科植物研究指出了一条由宏观尺
度通向细胞尺度的道路。但至目前为止，由于现有实验手段及研究领域的局限性，即使在细胞尺度上，禾本科植
物叶生长区发育过程中许多事件的发生及调控机理仍然难以完全得到阐明，如：１）与叶生长可塑性相关的其他关
键因子及调控通路；２）不同环境因素影响下叶生长可塑性响应调控机制的异同性，即叶发育过程中受不同类型的
环境因素作用而导致同一种（类）发育动力学参数变化的背后（如刈割及盐分胁迫均可导致叶生长速度变慢、叶生
长区缩短），是否共用一套基因表达／调控途径；３）叶形态发育过程中叶器官内及相邻叶器官间同步关系背后的分
子调控机制；４）叶形态发育过程中叶生长区内同化物分配调控的精确动力学模型与其内在机制等。随着一些主
要禾本科作物逐渐进入后基因组时代，今后一段时间植物动力学模型的研究必然会逐渐走向由细胞尺度向分子
６９２ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１２） Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５
尺度发展的局面，这一领域中存在的诸多问题仍有待于新实验方法及辅助手段的出现。
其次，至目前为止，国外对于叶发育动力学的相关研究工作依旧大多局限于玉米、小麦等少数经典禾本科作
物与极少数禾草（高羊茅、黑麦草等）的生理发育过程，叶形态发育的动力学分析方法尚未系统出现于国内外草地
科学的相关研究工作中。在牧草植株中，叶是家畜采食和牧草收获的主要部分，也是光合作用的最主要器官，它
为牧草的生长奠定了必要的基础。毫无疑问，叶形态发育的动力学模型在今后单子叶牧草及草坪草叶片生长特
性的相关研究工作中同样具有较大的发展前景，如从形态学尺度探究禾草叶片刈割再生过程中的超补偿现
象［８５］。可以预见的是，继小麦、玉米等经典禾本科作物之后，具有广阔前景及巨大实际意义的草业科学将是今后
叶形态发育动力学建模思想另一个极具潜力的应用领域。
迄今为止，禾本科植物叶形态发育的动力学建模思想至今已发展为一种重要的形态学研究手段及研究植物
器官生长、细胞发育过程及环境适应性等方面的一种重要辅助方法，但仍有不少疑问有待于进一步探究。研究叶
动力学模型背后逐渐涌现出的这些新的疑问，并将其应用对象扩展至草地科学领域，无疑有助于推动分子生物学
领域及生理学、形态学领域的新发展，对研究者们认识植物形态发育背后的决定机理有着一定的促进作用。
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Ｌ．）ｌｅａｖｅｓｄｕｒｉｎｇｎｏｎｓｔｅａｄｙｇｒｏｗｔｈａｆｔｅｒｄｅｆｏｌｉａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｌａｎｔ，Ｃｅｌ ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００１，２４（４）：４０７４１７．
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ＷＡＮＧＷｅｉｇｕａｎｇ，ＷＡＮＧＸｉａｎｇｕｏ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｒａｓｓｌａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ，ＣｏｌｅｇｅｏｆＡｎｉｍａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
ＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９３，Ｃｈｉｎａ）
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｐｌａｎｔｓｖａｒｙｗｉｄｅｌｙｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｇｅｎｅｒａｌｋｉｎｅｍａｔｉｃｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｇｒａｓｓ
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犓犲狔狑狅狉犱狊：ｇｒａｓｓ；ｌｅａｆ；ｇｒｏｗｔｈｚｏｎｅ；ｋｉｎｅｔｉｃｍｏｄｅｌ
１０３第２１卷第５期 草业学报２０１２年