摘要：植物叶片发育是植物枝条系统发育的关键问题，也是与桑树等叶用作物产量直接有关的关键因素。 本文主要综述了植物发育生物学研究中关于叶片发育的相关进展，包括叶原基起始发育相关的KNOX(Knot． ted—like MaPHAN克隆和进展。 关键词叶片发育桑叶基因 近十几年来，以模式植物拟南芥为材料，植物 细胞扩展阶段的终止。叶片生长发育研究的困难 生物发育学取得了较大的进展，人们对植物发育 在于这是一个非常复杂的过程，其中细胞分裂和 的机理认识进一步深化，基本上可以描述出植物 扩展发生于叶原基的同一时期和部位，而且在 发育过程的全貌。对于作物的育种改良提供 决定叶片发育的叶原基发育起始阶段，细胞数很 了许多有益的启示和方法，本文主要对桑树有启 少，细胞分裂，扩展，和分化几乎同时发生在叶原 示作用的叶片发育的研究作简要综述。 基中，不可能按照传统的解剖学方法将其划分为 几个阶段，也不能应用生物化学方法进行分析。

1 叶片发育研究的进展 1990年以前，在SCI索引收录的相关研究论文 1．1叶片发育研究概况 中，用叶片发育(1eaf 生物的器官形态与其功能是密切相关的，因 作为关键词检索，只有十篇左右。这种状况在利 此研究植物叶片各种形态的构建与调控，有助于 用模式生物拟南芥进行研究后得到相当大的改 全面了解叶片生物学功能，以及植物的进化地位 善，从2007年，以相同的检索方法，SCI收录的论 和生存策略。这不仅与进行植物分类和了解其生 文数目已经达到了上百篇。这种现象肯定还会持 命活动规律密切相关，更与植物的经济产量直接 续下去。 相关，对人们的日常生活影响广泛。对桑树等叶 叶片的三维结构发育包括远近轴(abaxial— 用植物的叶片发育研究更具用特别的意义，对桑 adaxial戚s)或背腹轴(dorsoventralaxis)，端基轴 树品种的培育和产量的提高将有直接的促进作 (apical—basalaxis，proximodistalaxis)和中脉侧向 用。 伸展轴(nlal西n—blade—midrib 植物的生长发育和形态构建的工具主要是细 —right)axis，mediolateralaxis)，叶片形态的形成 胞分裂和扩展，在幼小的器官中，细胞分裂是比较 也是沿着这几个轴进行细胞分裂和扩展的，同时每 常见的，随着器官的成熟，细胞分裂逐渐减少直至 个细胞也沿着这三个轴进行体积扩大和伸展的。 完全停止，然后生长完全依赖于细胞扩展，叶片形 对这几个轴向的发育进行调节是控制叶形发育的 态的建立也有赖于这两种方法，与此有关的基因 许多基因的功能所在。利用拟南芥的一系列叶片 大多调节这两个过程。成熟叶片的形状就是 发育的突变体，对叶片发育涉及到的几个阶段，包括叶原基发育的起始，极性的建立，边缘分生组织 表达，与此相似，PHAN的一个同源基因，玉米的 的发育等进行的研究，取得了一系列进展。 rough 1．2叶片发育起始的分子机理 原基中的积累。

1．2．1KNOX基因调节的叶原基发育 叶片的发育起始是顶端分生组织(SAM)的叶片表皮下的细胞和SAM中表达，一种AS基因 形态发育中很重要的功能事件，叶片发育的早期 功能丧失的突变体有各种形态效应[10|。ASl基 与顶端分生组织的活动有紧密的联系。基因 MERISTEM- WUS，CLVl，CLV2，皿乃，KAPP和STM决定着表达，ASl又被SAM中的SHOOT SAM是维持干细胞状态，还是进入器官形成的发 LESS基因负调控。所以在拟南芥中，基因调 育途径。SAM的特征之一是KNOXl基因的表控的顺序为STM—ASl一KNATl。 达，促使SAM保持在分生组织的形态。对基因功 SAM中KNOX基因的作用仍然不清楚，在叶 能丧失和功能获得的一系列研究表明，KNOX原基中表达的I类KNOX基因会使叶片细胞增殖 (Knoued—likehomeobox)基因，是SAM功能的重延长，过量表达细胞分裂素的转基因檀株中STM 要调节因子。叶原基发育在SAM的侧生部位，从 和KNATl的转录水平比野生型中的高，细胞分裂 分生组织转变为有限生长标志性的开关即是 素促进细胞的分裂。对KNOX基因控制叶片形成 觥l基因表达的改变，KNOXl基因在SAM表的分子机制，有必要进行深入的研究。 达，而在叶原基起始部位表达消失。改变SAM中 1．2．2叶片近远轴的建立 SHOOT 控制发育的KNOXl基因，比如STM(STM 对叶片端基轴和背腹轴(远近轴)的研究成 MERISTEMLESS)的stm突变体，顶端分生组织终 为近年来的热点问题，研究表明叶原基极性的建 止生长，却能够从SAM部位或愈伤组织中正常地 立与SAM的活动是密不可分的。近远轴化(叶片 产生叶片[5J，这说明SAM和叶原基的起始发育是的上下表面化)涉及以下几个基因。 分离的。玉米．|}加扰以1(knl)基因编码一个同源 叶片的下表面(远轴面)形态可由远轴一侧 异型框基因，是KNOX基因，在整个SAM中表达，的表皮细胞，海绵组织的分化及木质部和韧皮部 但在要分化成侧生器官(花或叶片)的细胞中不 表达，显性的玉米Knottedl(Knl)突变体mRNA 体引起叶片的近轴化，叶片所有的远轴侧的形态 在叶原基中异位表达时，生成的叶片中有结状的 特征全部消失，强的近轴化时，叶片的形态变成杆 分生组织一一结节(knots)存在，Knottedl蛋白状，弱的近轴化叶片呈喇叭状。喇叭状的叶片 只存在于分生组织和微管组织中，可使细胞保持 在未分化的多功能状态。在拟南芥中克隆到了6 生的SAM，在叶柄的上下端都会形成腋芽。因 Ara— from 个KNOX基因家族KNAT(knotted—like bidopsisthaliana)基因"o，序列和转录类型的系统以引导和决定腋生SAM的形成和发育。PHB编 分析表明，KNOX基因可以分为两类，I类KNOX码一个同源框亮氨酸拉链结构(HD—ZIP)蛋白， 基因(包括knl)表达于枝条顶端分生组织(产生 复叶的物种除外)，不在叶原基中表达。产生复 相似的表现型，是另一个HD—ZIP结构蛋白 叶的物种，I类KNOX基因在叶原基中表达，只有 蚴R 少数例外。Ⅱ类KNOX基因的表达类型比较 多样。KNOXl基因在植物生长过程中，对促进生组织活动中起着十分重要的作用，同样在维管 SAM的形成或保持或者侧生器官的形成中发挥 组织类型的形成中也起着重要的作用，也是这个 着一个关键性的作用。 基因家族的成员。这三个基因的突变降低了叶片 许多基因在控制I类KNOX基因的表达，中细胞分裂的活性，改变了腋生SAM的形成类 PHAN(PHANTASTICA)基因在金鱼草中编码一种 MYB转录因子，在叶原基中会抑制KNOX基因的基中分布不均匀，在叶原基的近轴侧和与叶原基 ·综 述· 焦锋等：植物叶片及桑叶的发育研究进展 9 的生物合成有关。ROT3基因的表达似乎没有器 相连接的SAM中分布最多，有活性的P日B可能 也会控制自身的合成和稳定性。 官特异性。ROT3似乎是特异性地控制了叶片细 Siegfried报道了yA胎y(rAS)基因的产物具胞纵向方向的伸长，转基因过量表达ROT3基因 有锌指结构域和螺旋一环一螺旋结构，与侧生器 叶片会变大，但叶柄长度保持不变¨5|。 官(花或叶)的远轴化有关。异位表达YAB家族1．2．4边缘分生组织的发生 基因，FIL(盯LAM删加嬲FLOWER)或YAB3从叶原基最初的棒状发育成平面状的叶片， (黝础l，3)基因引起远轴型细胞的异位分化，但首先肯定的是由于分生组织活动的结果，沿着叶 同时，这两个基因的双重突变体fil／yab3没有表原基远近轴(背腹轴)平面的边缘存在一些分生 现出近轴化¨引。YAB基因表达于侧生器官的远 组织，即边缘分生组织。在边缘和亚边缘区域活 轴侧区域，因此YAB家族基因似乎指定了叶和花 跃的细胞分裂对于叶片二维生长是十分必要的。 远轴侧细胞的分化命运。另外，在SAM的发育过 程中，YAB家族基因的过量表达经常受到抑制。 PHAN基因的突变会引起叶片背部组织被具有腹该启动子在细胞周期的G2／M期表达，发现在叶 面特征的组织所取代，即引起叶片的远轴化。说 原基发育的早期，边缘分生组织是十分活跃的，在 明叶片发育的过程中，PHAN对叶片背面(上表随后的发育阶段，边缘分生组织的活动停止，叶片 面)的发育是必需的。PHAN是属于MYB家族的组织层的建立和叶片的扩展不取决于分生组织的 转录因子，在侧生的器官中表达。进一步分析这 活性，这种活性是被严格限定在一定的区域的。 些关系将对确定控制叶片背腹性的建立遗传机制 在随后的发育阶段，分生组织分散分布于叶原基 的研究提供线索。 中。Donnelly研究显示叶片发育取决于细胞周期 1．2．3极性决定的叶片生长 的组织特异性调节，这些观察说明植物分生组织 拟南芥的augustifolia(an)突变体，叶片变窄位于叶原基的内部，在叶片形态发生的过程中起 增厚，这种突变体最早作为染色体图谱的标记。 着十分重要的作用¨引。 an的表现型出现在叶片和花上，引起这种变化的 叶原基中分生活性的诱导和维持的因子仍然 原因不是因为细胞数目的减少而是由于细胞横向 不清楚，然而，在分生组织活性的激活与边缘组织 生长受阻。这种细胞生长的极性缺陷发生在所有 的构建方面可能存在某种联系。双子叶植物中边 观察到的细胞中，包括表皮、刚毛和薄壁组织，薄 缘分生组织可能会产生于远近轴区域问，由YAB、 壁组织细胞受到的影响最严重，在横向扩展减少， KAN和PHB基因所调节。形成层的形成产生于 在厚度方向上扩展增加。因此，AN基因在调节叶 两种维管束的连接处，维管束的极性的建立是由 『REvoLUTA／lNTERFAsCIC 片横向极性扩展方面是一个关键性的基因。 FIBERLEss基因讽节 对于叶片极性的研究使我们猜想可能存在另 的。叶原基和维管束的极性都是由HD—ZIP蛋 一个控制叶片长度的基因，这种基因的突变体在 白调控的。 叶片长度上发育受阻，这种突变体被命名为ro- 2桑树叶片发育研究进展 tundifolia3—1，同样，其细胞数目没有减少，该表 现型也仅仅局限于叶片和花。因此，ROT3基因 桑树是多年生叶用木本植物，可以有性繁殖， 是决定叶片纵向生长的关键基因。an／rot3—1双也可以无性繁殖。能够异花授粉，杂交周期长，有 重突变体表现为加性的表型，推测两个基因的作 广泛的地理和垂直分布。因此桑树的遗传较为复 用是相互独立的。口凡和rot3一l突变体既表现出杂。目前一些质量性状的遗传规律仅仅是初步有 整体形态学特征又表现为叶原基中的细胞形状特 所了解，叶片是桑树重要的经济性状，桑叶的优质 征，只有在叶片细胞出现极性扩展时开始表达。 稳产高产，是桑树育种的主要目标之一，所以桑叶 ROT3编码细胞色素P450(CYPgOCl)，它的的性状是桑树育种的重要选择指标，对叶片发育 结构域与类固醇羟化酶同源，植物中大部分的细 相关基因的克隆可为桑树的早期筛选提供一种重 胞色素P450的同源基因编码的酶与油菜内酯素要的分子标记。在育种过程中，桑叶性状的变异 10 北方蚕业2009，30(4) ·综 述· 是十分显著和受到关注的，其性状变异又可通过 具有突出性状新品种的目的，为蚕桑生产及桑树 无性繁殖固定下来，现在保存的众多的叶片形态 资源的开发利用提供物质基础。 变异株系，是进行叶片发育极好的材料。