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果實(shí)是促進(jìn)被子植物輻射分化的創(chuàng)新性狀，含有多種維持人類生命健康的必需營養(yǎng)成分。經(jīng)過長期的自然選擇，果實(shí)在被子植物中呈現(xiàn)豐富的多樣性如顏色、形狀、大小和質(zhì)地等。通常，這些性狀與特定的種子散播策略高度適應(yīng)。既往研究陸續(xù)揭示了果實(shí)發(fā)育過程和相關(guān)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，但果實(shí)多樣化產(chǎn)生的分子進(jìn)化機(jī)制尚不明確。十字花科是被子植物中具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的類群之一，其果實(shí)形狀呈現(xiàn)出豐富的變異式樣，是研究果實(shí)多樣化機(jī)制的理想材料。中國科學(xué)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(shí)形態(tài)建成和多樣化的分子進(jìn)化機(jī)制。活細(xì)胞成像顯示，隨著淡紅薺心形角果發(fā)育，果瓣表皮細(xì)胞的分裂活性逐漸減弱，在心形角果形態(tài)建立后細(xì)胞分裂局限在果瓣頂端的邊緣區(qū)域；細(xì)胞極性生長從果瓣中部開始向頂端逐漸增強(qiáng)以促使果瓣頂端外凸生長，細(xì)胞分裂和極性生長共同決定心形角果的形態(tài)建成。這種互補(bǔ)的細(xì)胞分裂和生長的發(fā)育模式造成果瓣表皮細(xì)胞大小的異質(zhì)性。上述結(jié)論得到果瓣表皮細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序和發(fā)育軌跡重建結(jié)果的支持。在基因調(diào)控層面，果瓣頂端的細(xì)胞分裂依賴于干細(xì)胞特征基因CrSTM的特異表達(dá)，其在果瓣中的表達(dá)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(jié)合元件組成正反饋?zhàn)哉{(diào)控環(huán)來維持其在果瓣頂端邊緣區(qū)域的表達(dá)；通過基因編輯，敲除STM結(jié)合元件能夠降低CrSTM及細(xì)胞分裂標(biāo)記基因的表達(dá)并影響果瓣發(fā)育。這表明，CrSTM在果瓣中的特異定位影響果瓣表皮細(xì)胞的分裂和生長模式，進(jìn)而調(diào)控果實(shí)的形態(tài)建成。研究人員在擬南芥中重建的STM正反饋環(huán)，可誘導(dǎo)果瓣表皮細(xì)胞產(chǎn)生額外的細(xì)胞分裂進(jìn)而改變果實(shí)的形狀。這說明，STM在果實(shí)中的核心功能是通過調(diào)控細(xì)胞行為來決定果實(shí)形狀。十字花科中，STM結(jié)合元件多次獨(dú)立起源。因此，研究推測，STM正反饋環(huán)的進(jìn)化或是促進(jìn)果實(shí)形狀多樣化的重要途徑。上述研究在基因調(diào)控層面揭示了果實(shí)形狀多樣化的進(jìn)化機(jī)制，為剖析自然界中廣泛存在的形態(tài)多樣性的產(chǎn)生機(jī)制提供了線索，并為十字花科這一經(jīng)濟(jì)作物的遺傳改良提供了理論依據(jù)。12月12日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-植物》（Nature Plants）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等的支持。該工作由植物所和英國牛津大學(xué)合作完成。論文鏈接十字花科植物果實(shí)形狀決定的分子調(diào)控機(jī)制和形狀多樣化的進(jìn)化途徑