如果细心观察过植物的叶片,你应该可以轻易分辨出叶片的正反两面:叶片的向阳面(也叫近轴面,即朝向茎的那一面)比较光滑,有比较厚的蜡质层,并且颜色更翠绿一些;而相对的,向地面(远轴面)就要粗糙一些,角质层也薄一些。这其实是植物针对自己的生存和生理功能演化出的特征,对于植物的光合作用及蒸腾作用很有好处。
叶片近轴面主要的功能是吸收阳光中的能量,进行光反应,因此叶肉细胞拥有比较多的叶绿素;相对来说,叶片的远轴面就没有那么多的叶绿素了,主要进行光合所需的气体交换,因此叶片背面分布的防止水分散失的角质层自然也薄一些,颜色也要淡一些。
那么,如此重要的叶片近-远轴极性(即正反面)是怎么产生的呢?我们先从一个经典实验开始。
上世纪四五十年代,曼彻斯特大学研究生Ian Sussex以土豆为实验材料,研究植物茎尖与叶片的关系。Sussex用手术刀把即将发生的叶片原基和茎尖轻轻划开一个切口,但是让叶片的其它部位与整体相连。几天后,他发现那些在近轴面与茎尖分开的叶片很多无法进行正常的近-远轴极性发育。更为显著的是,近-远轴极性发育异常导致叶片无法侧向展开,最终得到的是棒状叶片,且叶片各个方向都和远轴面相似。
此外也有些叶片成为“喇叭叶”,其顶端像喇叭一样是圆锥形的,喇叭口以下和棒状叶类似,没有极性。Sussex由此推测:茎尖的干细胞产生一个信号,指导叶片近轴面形成;当手术切割阻断这个信号时,默认的远轴面发育程序启动,导致叶片只有远轴面发育。
这一实验似乎很好地解释了极性的信号来源,可是对于它到底是由什么物质介导,甚至它是否真的存在,一直众说纷纭。
近半个世纪后,我国许智宏先生课题组的一项研究打破了这一领域的沉寂。该团队在组织培养的白菜、烟草等多种植物中都发现,加入了生长素的运输抑制剂能够诱发喇叭叶和棒状叶产生。这说明生长素和它的运输与叶片极性发育有关。生长素是最早被发现的一类植物激素,其中最重要的化学物质为3-吲哚乙酸(Indole-3-Acetic Acid,IAA)。
这种小分子可以由赖氨酸合成得到,虽然对人和其他动物没有什么作用,却对各种植物的发育至关重要:根生长、维管束分化、顶端优势、单性花形成、向光性和向地性等都与它相关。
生长素在植物体内的分布很大程度上取决于定向运输,而定向运输则依赖与于一类称为PIN的蛋白。我们后续的研究结果表明,正是PIN蛋白介导的生长素运输产生了叶片极性发育信号。在植物体内,生长素通过PIN蛋白(绿色)从组织的一端传递向另一端。
“信号分子“生长素通过主动运输从叶片运向茎尖干细胞,而非由茎尖干细胞向叶片的近轴面扩散,使得近轴面生长素浓度低于远轴面,后者生长速度快于前者,从而产生了叶片的近-远极性。可见Sussex的“手术”实验弄错了方向。如果提高了近轴面的生长素含量,近轴面就会发育成为远轴面,从而形成喇叭叶或者棒状叶,即和Sussex实验一样的结果。
综上:叶片由茎尖的分生组织产生,刚从茎尖分离时,叶片并没有明显的近-远轴差异,就是一个小圆包;但很快,生长素从近轴面运输回到茎尖,使得近轴面生长素含量低于远轴面,导致远轴面生长快,叶片向茎尖弯曲;同时,伴随着近-远轴的不对称发育,叶片沿着中-边轴向伸展,最终形成扁平的叶片;此外,运回茎尖的生长素供干细胞产生下一片叶片。
尽管上述过程看似很圆满,但分子遗传学研究告诉我们,植物中实际的近-远轴调控要更为复杂。后续研究发现了一批在近-远轴分化中起到重要作用的调控因子,它们连同生长素,一起在叶片的极性发育中发挥作用。