生长素对叶片极性建立的调控研究

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种子植物的叶片原基起始于茎顶端分生组织。在叶片原基的发育过程中,会逐步建立基-顶轴、近-远轴和中-边轴三个方向的形态不对称性。前期的研究表明,生长素信号在叶原基近-远轴极性的建立中起着重要的调控作用,但是具体的调控机制尚不清楚。在本文中,我们提出了生长素通过影响细胞壁机械属性调控近-远轴极性建立的假设。利用原子力显微镜对细胞壁的机械属性进行直接测量后,我们发现叶原基中细胞壁的机械属性在近-远轴区域存在差异,并随着发育进程变化。利用免疫荧光技术,我们检测到叶原基细胞壁中果胶的去甲基酯化修饰水平,具有和机械属性一致的时空特异性。进一步研究证明细胞壁中果胶修饰水平决定了机械属性,而生长素信号可以调控细胞壁果胶修饰水平,并由此调控细胞壁机械属性。通过力学建模模拟叶原基生长过程,并在外源处理的番茄和转基因拟南芥中对模拟结果进行验证,这些证据共同表明细胞壁机械属性的差异能够解释叶原基近-远轴极性发育过程中的形态变化。这些结果给出了生长素信号通过影响细胞壁生化属性和机械属性,调控叶片形态变化的可能机制。  除了近-远轴极性之外,生长素信号在基-顶轴极性建立过程中也发挥了作用。在生长素信号异常的拟南芥双突变体植物arf6arf8中,我们观察到茎生叶和萼片在基-顶轴长度减小,在该轴向细胞长度也同样减小。通过表型对比,我们发现油菜素内酯合成限速酶DWF4的功能缺失突变体具有和arf6arf8双突变体类似的表型。分子实验结果表明生长素通过ARF6和ARF8激活DWF4的转录。而在dwf4突变体的萼片中,我们检测到细胞壁果胶去甲基酯化修饰水平降低。以上结果表明了生长素通过ARF6和ARF8调控表层细胞中油菜素内酯的合成,最终影响叶片的基-顶轴方向生长,暗示了该调控可能是通过影响细胞壁的生化属性和机械属性实现的。
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