果實是促進被子植物輻射分化的創新性狀，含有多種維持人類生命健康的必需營養成分。經過長期的自然選擇，果實在被子植物中呈現豐富的多樣性如顏色、形狀、大小和質地等。通常，這些性狀與特定的種子散播策略高度適應。既往研究陸續揭示了果實發育過程和相關基因調控網絡，但果實多樣化產生的分子進化機制尚不明確。
十字花科是被子植物中具有經濟價值的類群之一，其果實形狀呈現出豐富的變異式樣，是研究果實多樣化機制的理想材料。
中國科學院植物研究所科研人員與合作者，以十字花科具有心形角果的淡紅薺為材料，探討了果實形態建成和多樣化的分子進化機制。活細胞成像顯示，隨著淡紅薺心形角果發育，果瓣表皮細胞的分裂活性逐漸減弱，在心形角果形態建立后細胞分裂局限在果瓣頂端的邊緣區域；細胞極性生長從果瓣中部開始向頂端逐漸增強以促使果瓣頂端外凸生長，細胞分裂和極性生長共同決定心形角果的形態建成。這種互補的細胞分裂和生長的發育模式造成果瓣表皮細胞大小的異質性。上述結論得到果瓣表皮細胞的單細胞轉錄組測序和發育軌跡重建結果的支持。
在基因調控層面，果瓣頂端的細胞分裂依賴于干細胞特征基因CrSTM的特異表達，其在果瓣中的表達被生長素信號激活；CrSTM蛋白通過識別其自身啟動子上的STM結合元件組成正反饋自調控環來維持其在果瓣頂端邊緣區域的表達；通過基因編輯，敲除STM結合元件能夠降低CrSTM及細胞分裂標記基因的表達并影響果瓣發育。這表明，CrSTM在果瓣中的特異定位影響果瓣表皮細胞的分裂和生長模式，進而調控果實的形態建成。研究人員在擬南芥中重建的STM正反饋環，可誘導果瓣表皮細胞產生額外的細胞分裂進而改變果實的形狀。這說明，STM在果實中的核心功能是通過調控細胞行為來決定果實形狀。十字花科中，STM結合元件多次獨立起源。因此，研究推測，STM正反饋環的進化或是促進果實形狀多樣化的重要途徑。
上述研究在基因調控層面揭示了果實形狀多樣化的進化機制，為剖析自然界中廣泛存在的形態多樣性的產生機制提供了線索，并為十字花科這一經濟作物的遺傳改良提供了理論依據。
12月12日，相關研究成果在線發表在《自然-植物》（Nature Plants）上。研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的支持。該工作由植物所和英國牛津大學合作完成。
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十字花科植物果實形狀決定的分子調控機制和形狀多樣化的進化途徑
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