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水生植物是水體中的重要類群，在維持水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定中起著舉足輕重的作用。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)生顯著差異的葉形。具體來說，異形葉植物的沉水葉常為深裂、絲狀或線形，氣孔密度較低或缺失；而陸生葉形則較簡單，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，其進化規(guī)律和調(diào)控機制研究仍不充分。
近日，中國科學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)大學等合作，發(fā)布了首個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化、發(fā)育和異形葉調(diào)控的分子機制。
該研究通過對異葉水蓑衣進行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，分化時期約為30.6 Mya，處于漸新世（33.9-23.0 Mya）。該地質時期大氣中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(diào)控”和“碳水化合物代謝”等基因家族顯著擴張，提示其環(huán)境適應性可能與這些基因的擴張密切相關。隨后，他們分析了水陸生境下的轉錄組，發(fā)現(xiàn)與環(huán)境刺激、葉形發(fā)育和激素代謝等相關的基因差異表達，共同調(diào)節(jié)了異葉水蓑衣的表型、結構和生理可塑性。通過進一步對不同環(huán)境（水陸生境、溫度、光照和濕度）下的差異表達基因進行分析，鑒定到LMI1 (LATEMERISTEMIDENTITY1)可能是調(diào)控其異形葉性的關鍵候選基因，并通過基因沉默等技術驗證了該基因對水生葉形的調(diào)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(guī)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5年，相關成果于7月30日以Water wisteria genome reveals environmental adaptation and heterophylly regulation in amphibious plants為題，在線發(fā)表于植物學期刊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院國際伙伴關系計劃項目（152342KYSB2020021）、國家自然科學基金青年項目（32101254）、國家重點研發(fā)計劃（2017YFE0128800）和國家留學基金委的支持。
自2014年以來，侯宏偉研究員團隊在水生植物的異形葉研究領域取得了一系列進展：通過對異形葉植物進行比較和篩選，發(fā)現(xiàn)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，進一步優(yōu)化了異葉水蓑衣的組織培養(yǎng)和遺傳轉化條件，建立了該植物的穩(wěn)定遺傳轉化體系（Li et al.,2020）；基于上述體系，通過基因過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.