研究人员发现长期被忽视的叶片表面模式：为植物进化带来新线索

据外媒报道，近日，一名博士生发现了植物中一个长期被忽视的模式，即植物如何进化出相当于肺的器官--叶子表面的气孔。为此，研究人员通过专门的成像技术和一种在实验室中不常见的植物物种揭示了陆地植物和水中植物在进化过程中的一个关键区别。

“我觉得这真的非常有趣，这对我来说是一个很大的惊喜。我记得很清楚，在地下室的显微镜室观察之后，我冲上楼告诉Koga博士我的发现，”在助理教授Hiroyuki Koga之指导下就读于东京大学科学研究生院的一年级博士生Yuki Doll回忆道。

“当我听了Doll的发现，我也很兴奋并跟他讨论了我们应该深入这个主题，”Koga说道。

当气孔打开时，二氧化碳、氧气和水蒸气可以进出叶片进行光合作用和呼吸作用。人工控制气孔的数量是在变化的气候中保持作物健康的一种可能的方法。

据悉，东京大学的团队研究了多种类型的水马齿属属植物--包括陆生和水生物种。

Koga指出：“水马齿属是一种有趣但很小的植物群体，我们是世界上唯一将其用于发育生物学研究的植物的人。”

Doll回忆起他第一次观察植物的经历，他说道：“当我开始分析水生水马齿的气孔分布模式时，我觉得气孔的排列方式跟我本科时在实验室常见物种拟南芥(Arabidopsis)中所学的不一样。我的印象是，这种奇怪的模式一定适用于所有的水马齿，我想，由于拟南芥和水马齿来自非常不同的进化谱系，所以它们的不同是很自然的。然后我分析了一种陆生水马齿，我发现它看起来更像拟南芥。”

具体来说，Doll注意到水生植物叶片表面的气孔及其周围的细胞比陆生植物叶片上细胞大小的变化要均匀得多。

这两种进化密切的植物具有不同的气孔发育模式，这暗示了它们在陆地或水中的生活条件可能对气孔发育起到了一定作用。

Koga和其他实验室成员此前已经完善了一种可以在完整植物叶片上可视化每个单个细胞的基因活动的方法付。整体标本荧光原位杂交技术并不是新技术，但在不将植物切成超薄薄片的情况下使用这些分子生物学工具却是困难和不寻常的。

从陆地和水生的水马齿上采集到的图像证实了这两种植物的气孔是通过相同的两个基因来发育，但它们的活跃状态却处在不同的时间。

在几乎所有的植物中， SPEECHLESS基因负责促进新生叶片表面一组细胞的生长和分裂。最终，MUTE基因在这些细胞中变得活跃并阻止沉默从而让这些细胞停止分裂，然后分化为气孔。通过将人造荧光标记跟这两个基因的结合，研究人员可以在单细胞分辨率上看到MUTE基因被抑制和被激活的情况。

在陆生水马齿中，研究人员发现MUTE在不同年龄的细胞中都有表达。MUTE在较老的水生物种细胞中表达更为均匀，其似乎跳过了分裂阶段并有一个协调的延迟直到叶片发育后期才激活MUTE。

研究人员怀疑，水生物种进化到延迟气孔形成以便等待并判断新叶子究竟是已完全淹没在水中还是在水线以上。在水下，气体交换效率较低，因此在水下的叶片气孔通常比在空气中的叶片少。

对于对环境压力和进化遗传学关系感兴趣的进化生物学家来说，这一发现无疑是令人兴奋的，但它也跟未来在变化或不可预测的环境中种植作物有关。

“通常的假设是近亲物种有相似的气孔发育模式，但我们的关键发现并非如此，”Koga称。相反，研究人员指出，他们的新结果表明，一个物种的生活环境是选择气孔发育模式的重要进化力量，而非仅仅是物种的遗传祖先。

科学家将可能可以通过了解导致物种间SPEECHLESS和MUTE表达的灵活控制的完整遗传途径预测哪种作物的进化谱系更有可能优化它们的气孔以在变化的气候中生长。