新聞科研進(jìn)展
水生植物是水體中的重要類(lèi)群，在維持水生態(tài)系統的穩定中起著(zhù)舉足輕重的作用。由于經(jīng)常要面臨水位升降等環(huán)境變化，許多水生植物進(jìn)化出了“異形葉”，即基因型相同的植物在不同環(huán)境下能夠產(chǎn)生顯著(zhù)差異的葉形。具體來(lái)說(shuō)，異形葉植物的沉水葉常為深裂、絲狀或線(xiàn)形，氣孔密度較低或缺失；而陸生葉形則較簡(jiǎn)單，維管束發(fā)達，氣孔密度較高。水生植物的異形葉性是研究植物表型與環(huán)境適應的理想模型，但由于缺乏合適的模式植物，其進(jìn)化規律和調控機制研究仍不充分。
近日，中國科學(xué)院水生生物研究所侯宏偉研究員團隊與日本京都產(chǎn)業(yè)大學(xué)等合作，發(fā)布了首個(gè)染色體水平的異葉水蓑衣基因組（Li et al.,2024），初步解析了異葉水蓑衣進(jìn)化、發(fā)育和異形葉調控的分子機制。
該研究通過(guò)對異葉水蓑衣進(jìn)行PacBio測序，將其基因組組裝到15條偽染色體上（圖1）。異葉水蓑衣基因組為871.92 Mb，分化時(shí)期約為30.6 Mya，處于漸新世（33.9-23.0 Mya）。該地質(zhì)時(shí)期大氣中CO2減少，全球氣溫下降，而異葉水蓑衣基因組中 “低溫響應”、“光合作用調控”和“碳水化合物代謝”等基因家族顯著(zhù)擴張，提示其環(huán)境適應性可能與這些基因的擴張密切相關(guān)。隨后，他們分析了水陸生境下的轉錄組，發(fā)現與環(huán)境刺激、葉形發(fā)育和激素代謝等相關(guān)的基因差異表達，共同調節了異葉水蓑衣的表型、結構和生理可塑性。通過(guò)進(jìn)一步對不同環(huán)境（水陸生境、溫度、光照和濕度）下的差異表達基因進(jìn)行分析，鑒定到LMI1 (LATEMERISTEMIDENTITY1)可能是調控其異形葉性的關(guān)鍵候選基因，并通過(guò)基因沉默等技術(shù)驗證了該基因對水生葉形的調控作用。上述工作鞏固了異葉水蓑衣作為異形葉研究模式植物的地位，也為揭示全球氣候變化背景下植物的環(huán)境適應和演化規律，以及水生植物多樣性保護與利用等奠定了基礎。
該研究歷時(shí)5年，相關(guān)成果于7月30日以Water wisteria genome reveals environmental adaptation and heterophylly regulation in amphibious plants為題，在線(xiàn)發(fā)表于植物學(xué)期刊Plant,Cell & Environment雜志上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pce.15050）。水生所李高潔助理研究員為論文第一作者，侯宏偉研究員為通訊作者。該研究得到了中國科學(xué)院國際伙伴關(guān)系計劃項目（152342KYSB2020021）、國家自然科學(xué)基金青年項目（32101254）、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2017YFE0128800）和國家留學(xué)基金委的支持。
自2014年以來(lái)，侯宏偉研究員團隊在水生植物的異形葉研究領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展：通過(guò)對異形葉植物進(jìn)行比較和篩選，發(fā)現爵床科水生植物異葉水蓑衣（Hygrophila difformis）的異形葉特征明顯，具有大小合適、生長(cháng)迅速、能夠響應多種環(huán)境因子等優(yōu)勢，建議將其作為研究異形葉的模式植物（Li et al.,2017;2019）；在此基礎上，進(jìn)一步優(yōu)化了異葉水蓑衣的組織培養和遺傳轉化條件，建立了該植物的穩定遺傳轉化體系（Li et al.,2020）；基于上述體系，通過(guò)基因過(guò)表達和基因沉默等方法，首次證明KNOTTED1-LIKEHOMEOBOX （KNOX1）基因參與了異葉水蓑衣的異形葉發(fā)育過(guò)程（Li et al.,2022）。
圖1 異葉水蓑衣和表型和基因組信息
（a）水陸生境下的異葉水蓑衣植株和葉形；（b）異葉水蓑衣染色體的Hi-C互作；（c）異葉水蓑衣的基因組信息總覽
參考文獻：?
Li G, Zhao X, Yang J, Hu S, Ponnu J, Kimura S, Hwang I, Torii K, Hou H. Water wisteria genome reveals environmental adaptation and heterophylly regulation in amphibious plants. Plant, Cell & Environment, 2024, 7: 1-21.
Li G, Yang J, Chen Y, Zhao X, Chen Y, Kimura S, Hu S, Hou H.?SHOOT MERISTEMLESS?participates in the heterophylly of?Hygrophila difformis?(Acanthaceae).?Plant Physiol. 2022, 19: kiac382.
Li G, Hu S, Yang J, Zhao X, Kimura S, Schultz EA, Hou H. Establishment of an Agrobacterium mediated transformation protocol for the detection of cytokinin in the heterophyllous plant?Hygrophila difformis?(Acanthaceae).?Plant Cell Rep. 2020, 39(6): 737-750.?
Li G, Hu S, Hou H, Kimura S. Heterophylly: Phenotypic Plasticity of Leaf Shape in Aquatic and Amphibious Plants. Plants (Basel). 2019, 8(10):420.
Li G, Hu S, Yang J, Schultz EA, Clarke K, Hou H. Water-Wisteria as an ideal plant to study heterophylly in higher aquatic plants.?Plant Cell Rep. 2017, 36(8): 1225-1236.