异形叶——研究植物环境适应性的“理想型”

来源：中科院之声

由于全球性的气候变化加剧，洪涝、干旱等灾害天气频繁发生。环境变化对植物，尤其是农作物的生长、发育和产量等都产生了深远影响，严重威胁着人类的粮食安全。由于植物营固着生活，无法通过走动来躲避不良环境，它们“穷则变，变则通”，进化出了多种变异的形态结构来适应环境。例如，仙人掌的针状叶能够有效的减少蒸发，猪笼草和狸藻等的捕虫囊能够将动物化身“肥料”以获取营养等。

与这些植物不同，本篇讲述的是一些依靠自身表型的可塑性来适应环境变化的植物，它们的叶子“会变身”，同一植株在不同的环境下能产生截然不同的叶形，而不同叶形具有适应相应环境的功能。这一现象称为“异形叶”，为我们研究植物的环境适应机制提供了独特的模型。

异形叶的“前世今生”

生物的性状主要由基因决定，这一点得到了“中心法则”的充分验证。然而，一些基因型相同的植物在不同环境下能产生完全不同的表型，说明外在环境对植物表型也具有重要影响（图1）。对生活在水陆交替地带的湿生/水生植物来说，随着水位的升降，它们不得不适应陆生和水生两种生境。在漫长的岁月中，这些植物渐渐进化出表型可塑的能力，这也是异形叶现象多见于水陆交替带的原因。

图1 代表性异形叶植物（图片来源：中科院水生所）

A：粉绿狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）；B：圆叶节节菜（Rotala rotundifolia）

异形叶研究最早可追溯到上世纪初，人们发现光照、温度、湿度和二氧化碳（CO2）等环境因素均能调控异形叶植物的叶形变化，并逐渐建立起了环境因子和植物表型的对应关系。其中，较典型的研究代表是水毛茛（Batrachium bungei），已作为植物表型可塑性的代表植物出现在各类生物课本上。研究表明，除水生/陆生环境外，光周期（昼夜周期中光照期和暗期长短的交替变化）、湿度变化等也能够显著调控水毛茛的叶形变化。总体而言，异形叶植物的水生叶常为深裂、丝状或线形，角质层和气孔退化或消失，取而代之的是叶片变得细、长、薄，这种形态大大方便了它们直接在水体中进行气体交换和养分吸收，而维管束退化和通气组织增加则是为了更好地适应水流波动和气体运输。

与之对应，陆生叶的叶形较为简单，具有较厚的角质层以抵御阳光的伤害，叶缘完整，气孔和维管束较发达，利于通过蒸腾作用等过程进行物质运输和气体交换，并在最大程度上获取光能。这种可塑性的外形和结构能够使异形叶植物在不同环境下有效地调节水可用性、采光面积、气体交换和营养吸收，保证生长发育的顺利进行。

植物激素也是影响异形叶植物表型的重要调节因子。研究表明，环境主要通过调节植物激素的变化来实现叶形的可塑性调控。通过对植株施加脱落酸、赤霉素和乙烯等多种植物激素，研究人员从激素生理和形态解剖层面分析了多种植物激素对叶形的调控规律。其中，研究较为深入的代表性激素是脱落酸和乙烯，他们能够拮抗调控多种异形叶植物的表型变化。脱落酸产生于远古时期，在植物祖先登陆时进化产生，协调干旱、气体交换等多个发育过程，也广泛参与了异形叶植物在陆生状态下表型的产生。乙烯则在水淹环境下大量积累，能够通过促进叶形变化和茎秆伸长，使植物适应或逃避水生环境。

由于异形叶现象在多种植物中普遍存在，研究人员选取的研究材料也是多种多样：苹属、毛茛属、蔊菜属、慈姑属、睡莲属、狐尾藻和水马齿属等多种异形叶植物均被用作研究材料，也取得了一定研究进展。

进入21世纪后，随着分子生物学的兴起，人们开始探索从分子层面研究异形叶发育的分子机制。通过转录组测序和组学分析等技术，研究人员挖掘到了许多在不同环境下差异表达的基因，这些基因涉及表型调控、激素信号和胁迫适应等诸多层面，为研究异形叶调控的分子机制提供了必要的数据基础。然而，由于这些异形叶植物均非模式植物，遗传背景复杂、培养繁殖困难、基因信息缺乏，许多植物难以通过遗传转化进行基因功能验证，其背后的分子机制也始终悬而未决。

“独辟蹊径，柳暗花明”

先前的相关研究由于植物材料的限制和遗传转化体系的局限，无法采用转基因技术准确验证基因的功能，也限制了该领域的研究。为此，中国科学院水生生物研究所的研究人员在筛选和分析多种水生植物基础上，提出了一种新的适于异形叶研究的植物-异叶水蓑衣（Hygrophila difformis），并通过实验条件的优化建成了一系列研究体系（图2）。该植物的叶形对环境因子敏感，水陆生境、湿度、温度和光照等环境因子能显著影响该植物的叶片形态；其叶形对植物激素的响应也具有广泛的代表性；繁殖方便（可扦插、叶片繁殖，一周即可获得再生植株）、遗传转化简易（约3个月），具有其它异形叶植物所不具有的典型优势，是研究异形叶现象的理想材料（Li等，2017）。

图2 异叶水蓑衣的表型及激素分布（图片来源：Li et al. 2020）

A：陆生植株.B：沉水植株.C：陆生叶.D：沉水叶.标尺= 1cm

E-H：转入细胞分裂素报告基因TCS::GUS的叶片GUS染色. 标尺= 1 mm

叶片从幼到老依次从左到右排列，蓝色代表细胞分裂素在叶片中的分布。

近日，该课题组进一步优化了异叶水蓑衣的遗传转化体系，通过优化其组织培养和遗传转化条件，将其稳定遗传转化效率提高到14%以上（Li等，2020）。研究人员将细胞分裂素（一种植物激素，主要调控细胞分裂、组织分化和植物生长）的报告基因TCS::GUS转入异叶水蓑衣并构建转化株系，结合外源激素施加和内源激素测定，首次揭示了细胞分裂素在异叶水蓑衣叶形调控中的重要作用。

由于异形叶是研究植物环境适应性的理想模型，揭示以异叶水蓑衣为代表的异形叶植物的发生、发育机制对于我们深刻认识植物适应环境的机理，进而理解全球气候变化局面下植物如何进一步演变有着重要意义，异形叶研究也将大有可为。