【Science经典】花菜的花球产生的分子机制被揭示

植物分生组织会产生呈螺旋状、轮状图案的器官。花菜呈现出一种不寻常的器官排列，其中有许多螺旋嵌套在各种花球上。这种分形的、自相似的组织如何从发展机制中出现仍然难以捉摸。2021年7月9日，Science杂志以封面论文发表了来自法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Francois Parcy课题组和里昂大学Christophe Godin课题组等合作题为“Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks”的研究论文。该研究将建模与实验研究相结合阐明了调控花菜花球的形成的分子机制。

具有螺旋花序的植物中呈现两组相向排列的螺旋形线条，一组是顺时针旋转，一组是逆时针旋转，其数量遵循数学上熟悉的斐波那契数列。斐波那契数是序列中前两个数字的总和：1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144 ...。在头状花序中，左右缠绕的螺旋数始终是两个连续的斐波那契数。在花菜中花序螺旋现象不仅在一个尺度上，而是在多个尺度上可见。特别是在罗马花菜 Romanesco中达到顶峰，其花球表面由许多螺旋形的小花所組成，小花以花球中心为对称轴成对排列。这种几何特征使整个花球具有明显的分形外观。

罗马花椰菜 Romanesco

在拟南芥中花是由 LFY引发。其中LFY被SOC1和 AGL24及生长素最大值上调标记花分生组织起始位点。LFY在花原基中特异性表达，在 SAM 中LFY被 TFL1 蛋白抑制。在花原基中LFY 诱导AP1/CAL对LFY产生正反馈并抑制SOC1/ AGL24和TFL1，从而稳定新生花原基（见下图J）。研究表明，花菜样结构也存在于模型十字花科拟南芥中（见下图H，I），是由旁系同源基因编码 MADS-box 转录因子AP1和CAL突变导致。以前多项研究已经初步揭示了一个网络模型用来调控拟南芥的芽和花发育的分子机制，而这些机制能否解释拟南芥 ap1 cal花球的发育尚不清楚。

该研究建立了一个涉及花和花球发育的主要调控网络。然后，将该网络嵌入植物发育的三维计算模型中，以了解突变如何将野生型花序转化为花球。首先，该研究证实了AGL24和SOC1是直接正调节TFL1，然后创建了 SALT调节网络，其由四个蛋白（SAX、AP1/CAL、LFY 和 TFL1）、生长素和花诱导信号F 和eREP组成。SALT 网络概括了驱动分生组织命运的现实基因表达。然而，植物结构不仅取决于分生组织的命运，还取决于形态动力学参数，这些都是独立调节的。

进一步，该研究建模的花椰菜样突变体，发现花球自相似性的产生是因为分生组织无法形成花朵，但将它们短暂通过的“记忆”保持在花朵状态。而影响分生组织生长的其他突变可以诱导锥形结构的产生。

综上，这项研究揭示了植物如何通过改变身份和分生组织动态的生长和发育网络产生分形模式，阐明了分子和形态随时间的变化，分生组织获得了不同的特性，从而形成了在自然界和作物中发现的高度多样化和迷人的植物结构阵列。

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/373/6551/192

转自：“iPlants”微信公众号

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