裸子植物——叶片排列（Phyllotaxis）研究中被忽视的模式系统

《Quantitative Plant Biology》：Gymnosperms – A forgotten model for phyllotaxis research

　　

叶片排列（Phyllotaxis），即侧生器官在茎尖分生组织（shoot apical meristem, SAM）上的规律性排列，长期以来一直是植物模式形成研究的经典模型。裸子植物因其器官排列具有晶体般的规则性、适合几何分析，曾被广泛用于叶片排列研究；同时，叶片排列与初级维管系统之间的内在关联也得到了充分认识。本文综述了经典的形态学与解剖学数据，并结合近期分子研究进展，重新评估了裸子植物作为叶片排列调控模式系统的价值。研究人员讨论了叶片排列模式的多样性及其个体发育动态、这些模式与SAM结构与活性的密切关系，以及维管系统作为潜在约束因素在稳定模式传播与手性（chirality）中的作用。现有证据表明，依赖生长素（auxin）的调控机制在进化上是保守的，但其在不同结构背景下运作方式各异。研究人员提出，将经典数据集与现代实验及建模方法相结合并应用于裸子植物，有望揭示调控叶片排列的基本原理。

一、研究背景与问题

叶片排列（Phyllotaxis）指植物茎尖分生组织（shoot apical meristem, SAM）周期性起始侧生器官并形成规则空间排列的现象，是研究植物模式形成的经典体系。20世纪上半叶，裸子植物因其休眠芽中紧密排列的针叶原基呈晶体状规则结构，适合几何分析，曾成为叶片排列研究的重要材料；同时，叶片排列与茎内初级维管系统之间的密切关系也在这一时期得到系统描述。然而，分子生物学方法的兴起使研究重心转向被子植物，尤其是模式植物拟南芥，并在此基础上建立了以生长素为核心的叶片排列调控模型。随着其他内在调控因子的陆续发现，经典模型需要不断修正。与此同时，从进化视角探讨叶片排列模式规律性及其调控机制起源的研究也日益受到关注。在此背景下，裸子植物——一个与被子植物亲缘关系较远、但拥有丰富经典解剖与形态学数据的类群——被重新视为回答上述问题的潜在模式系统。现存裸子植物已有多科物种完成基因组测序，转基因与基因编辑技术也逐步建立，为深入研究其叶片排列调控机制提供了条件。

二、研究内容与结论

研究人员系统梳理了裸子植物SAM的结构特征、器官发生动态、叶片排列模式多样性及其与维管系统的关联，并结合生长素运输相关分子数据，评估了裸子植物在叶片排列调控研究中的价值。结论表明：裸子植物SAM在结构上较被子植物简单，仅有一组表层顶端原始细胞，但分区明显，且其大小和形状在物种间及季节间差异显著；叶片排列模式以主斐波那契（Fibonacci）螺旋为主，亦存在双列（bijugy）、三列（trijugy）等稀有模式及轮生模式；模式在个体发育中通常保持稳定，但可发生连续或非连续转变；初级维管系统的结构、手性与叶片排列密切相关，可能作为结构性约束参与模式稳定与手性维持；生长素依赖的调控机制在裸子植物中进化保守，但运作于多样化的结构背景中。将经典数据集与现代实验及建模手段结合，应用于裸子植物，有望揭示叶片排列调控的基本原理。

三、主要技术方法

研究人员主要基于文献综述，整合了以下类型的数据与方法：（1）经典形态学与解剖学数据，包括对不同裸子植物类群SAM结构、叶片排列模式及初级维管系统的描述与分析；（2）分子生物学数据，包括生长素合成基因（如YUCCA）、运输蛋白（PIN、AUX/LAX、ABC转运蛋白）的鉴定与表达分析，以及WOX、KNOX等SAM维持相关转录因子的研究；（3）基因组与系统发育分析，利用已测序的裸子植物基因组数据推断调控机制的进化保守性；（4）异源表达与转基因技术，如在拟南芥pin1突变体中表达裸子植物PIN同源蛋白以验证功能；（5）生长素运输抑制实验，如使用NPA处理云杉胚胎以观察对SAM和子叶发育的影响。

四、研究结果

1. 2.
   SAM结构及器官发生活性

裸子植物SAM大小和形状变异大，从柏科约120微米的小型圆锥状顶端到苏铁类超过3000微米的巨大顶端不等。SAM结构较被子植物简单，仅有一组表层顶端原始细胞，同时进行垂周和平周分裂，分别向外周区和中央母细胞区（CMC）提供细胞。分区模式在裸子植物中首次被描述，但各区明显程度因属、顶端形状、分裂频率及发育阶段而异。侧生器官起始于外周区，由表层下细胞分裂启动。裸子植物为多年生木本植物，SAM活动呈季节性变化，休眠期形成芽，芽内可预成下一季的叶原基。部分物种（如冷杉属、云杉属）的鳞片起始发生在预成枝伸长之前或期间，而柏科则不形成预成枝和休眠芽。多数裸子植物在芽下方形成厚角组织板（crown），将分生组织与成熟组织分隔。生殖转型时SAM增大变宽，CMC和外周区分裂活性增强，起始大量苞片和珠鳞。分子研究显示，AGAMOUS类C功能基因决定雌性结构身份，LFY-like和NEEDLY基因上调B、C类MADS-box基因。球果顶端恢复营养生长的异常现象提示器官定位与身份调控可能相互独立。

1. 3.
   SAM自我维持调控

裸子植物SAM的遗传调控数据零散，主要来自体细胞胚胎发生、离体器官发生和转录组分析。WOX基因家族分为三个分支，其中WUS同源基因和裸子植物特有的WOXX基因可能参与SAM维持。KNOX家族中首个在裸子植物中鉴定的基因为云杉的HBK1，其表达模式与玉米KN1相似，在SAM中央未分化细胞中表达而新原基起始位点不表达，提示其调控分生组织与叶原基起始的机制与被子植物类似。

1. 4.
   叶片排列模式多样性

裸子植物中螺旋和轮生两种叶片排列模式均存在，未见二列式。多数物种以一种物种特异模式为主，不随器官类型改变。螺旋模式有两种手性构型，频率相近且随机。螺旋模式中主斐波那契模式占优势，但红豆杉属（Torreya）和三尖杉属（Cephalotaxus）以主斐波那契双列为主；其他稀有模式占3%至20%不等。轮生模式中交互对生（decussate）最常见，部分属为三列或四列轮生。

4.1 叶片排列的个体发育稳定性与转变

裸子植物胚胎子叶数目可变，松科2至23枚不等，其数目取决于原基起始区大小及位置，受HD-ZIPIII和KANADI基因及生长素浓度最大值调控。胚后发育中，模式类型和手性通常沿同一轴持续，但模式表达（接触副列数）可随分生组织与原基大小比例变化而连续转变。冷杉属约8%的轴发生模式转变，遵循副列数对最小变化原则；三尖杉属、红豆杉属和科罗拉多冷杉转变率约1%。红豆杉属在鳞片叶区发生主斐波那契双列与交互对生模式间的重复渐变转变，每次新营养季的叶序重新建立，可能与厚角组织板隔离SAM与成熟维管组织有关。

4.2 主轴与侧轴叶片排列手性

裸子植物为单轴分枝，主轴通过顶端优势控制侧枝形成。冷杉属和云杉属侧枝中两种螺旋手性频率相近，表明主轴不影响侧轴手性；而大西洋雪松超过90%侧枝与主轴呈反向手性（antidromy），说明主轴对叶片排列控制的作用因物种而异。

1. 5.
   初级维管系统结构

裸子植物初级维管系统由离散的轴向维管束和规则分出的叶迹组成，每个轴向维管束连同相关叶迹构成一个维管合生体（sympodium）。部分属（如红豆杉属、黄杉属、红杉属）的叶迹原形成层在相应叶原基起始前已出现，而冷杉属则相反。螺旋叶片排列物种的维管系统高度规则：合生体数目属于同一叶片排列数列，方向与同数列叶副列手性一致，但分出的叶迹手性相反。轮生模式物种的维管系统变异较大；进化较高级的柏科中，两条叶迹从相邻轴向维管束分出后融合，形成闭合的维管系统。部分属的轴向皮层树脂道数目属于同一叶片排列数列中合生体数目之前的项，且方向相反。对云杉、冷杉和雪松的研究显示，尽管叶序手性在主轴与侧轴间随机或反向，但维管合生体结构几乎完全同向（homodromy），提示叶序可能适应茎内维管组织的结构约束。

1. 6.
   叶片排列调控

裸子植物中依赖生长素的叶片排列调控研究仍不充分。生长素合成主要发生在SAM和幼叶，YUCCA基因已鉴定。极性生长素运输（PAT）涉及PIN、AUX/LAX和ABC三类保守蛋白家族。云杉PaPIN1在胚胎发生中的表达模式与拟南芥AtPIN1相似；NPA抑制PAT导致SAM受损、子叶融合和原形成层束改变，并引起PaPIN1和PaWOX2过表达，提示存在补偿机制。火炬松PtPINE和PtPINH可回补拟南芥pin1突变体表型。AUX/LAX家族在裸子植物中数量较少；ABC转运蛋白参与形成层活性和次生生长调控。目前研究多集中于胚胎阶段，成熟植株中的生长素相关过程仍需开发相应实验体系和标记。裸子植物转化和CRISPR/Cas9基因编辑已成功用于多个物种，为深入研究提供了工具。

五、结论与展望

经典依赖生长素的叶片排列模型虽基于拟南芥建立，但其原理在种子植物中可能具有普遍性，仍需纳入更多未知因子。裸子植物SAM结构与被子植物相似但缺少套层（tunica），部分物种因平周分裂受限形成拟套层（pseudotunica），结构相似性暗示调控机制可能类似。裸子植物SAM较大、原基数量多，有利于实验操作和计算建模；丰富的叶片排列多样性及个体发育变化数据，结合已测序基因组和可用的转化与基因编辑技术，为从不同视角解析叶片排列调控机制的起源与进化提供了独特条件。研究人员认为，裸子植物是被忽视但极具潜力的叶片排列调控研究模式系统。