花瓣是植物最重要的花器官之一，它不仅漂亮，而且是植物繁衍的重要参与者，在植物授粉过程中扮演着重要的角色，且与传粉昆虫之间存在着共同进化，在这漫长的进化过程中，产生了许多复杂的花瓣形状。以矮牵牛花为例，其花瓣分为limb和tube两个不同的区域（图1），PhDEF基因驱动着其花瓣的发育，该基因在矮牵牛花花瓣的2个区域中都有表达，而具体的作用机制尚不清晰。
图 1 矮牵牛花2个不同区域示意图
近日，来自法国里昂大学的植物繁殖与发育实验室的Marie Monniaux团队在国际知名期刊“THE PLANT CELL”发表研究成果“Cell layer–specific expression of the homeotic MADS-box transcription factor PhDEF contributes to modular petal morphogenesis in petunia”，该研究利用两类矮牵牛花突变体（嵌合体，在花瓣的两个区域PhDEF均不表达），通过在某个特定区域特异表达，研究了该基因在花瓣的两个不同细胞层的具体功能。其中，将PhDEF在花瓣tube层正常表达，limb不表达的株系命名为star；反之命名为wico（图2）。研究发现两种不同的株系产生的花瓣形态与野生型相比发生较为明显的变化，表明矮牵牛花花瓣形态是高度模块化的，依赖于PhDEF的细胞层特异性表达。
图2 经过PhDEF特异表达的2个不同株系
首先，研究人员考虑了前人研究中通过EMS和γ射线诱变获得的PhDEF基因突变的个体，但由于该基因不能再杂合状态下分型，所以采用将dTph1转座子序列插入PhDEF中获得phdef-151突变株系（图3）。
图3 PhDEF基因插入转座子示意图
根据PhDEF基因在不同部位的特异表达，将其分为了wico和star，分别代表特异表达部位为limb和tube。通过测量可以发现，与wt相比star的tube长度减少的比wico多，而从limb的大小来说，star要比wico减小得多（图4）。
图4 花瓣的纵切面示意图和不同部位的长度变化
由于dTph1转座子插入的时期不同，可能会使突变株上存在wt的花瓣表型。研究人员发现wico的花瓣表型不会遗传给后代，子代的花瓣表型几乎都为饱和突变株系phdef表型。这表明wico的配子只携带突变体phdef-151的等位基因，而配子来源于L2层，所以L2层衍生出来的配子细胞仅含有phdef-151的等位基因，L1层存在功能性的PhDEF基因，导致了PhDEF不遗传给子代，而star相反，作者通过原位杂交实验证明了这一点（图5）。
表1 各个株系子代花瓣表型统计
在确定了star和wico的遗传基础之后，作者又对PhDEF如何影响不同层之间细胞类型的确定进行了研究。接着，作者通过扫描电镜（SEM）观察了wt、star、wico的花瓣（图6）。结果发现，wico的花瓣limb的细胞形状与wt相似，而star的花瓣tube的细胞形状与wt相似，因此，可以推测可能是PhDEF功能的缺失导致细胞伸长的缺陷导致了花瓣形态的变化，而细胞的类别也是根据细胞形态来确定的。
图6 扫描电镜结果图
为了更好地理解star和wico花瓣表型形成的分子基础，研究人员对三个不同的花期进行了转录组的分析（图7）。结果发现，star和wico在所有花发育阶段PhDEF的表达都下调了2倍（图7）。
图7 不同株系的花瓣的基因表达分析
发现AN1，AN2,DPL和JAF13这些跟花青素相关的基因在star中均下调表达，且AN1，AN2为花青素生物合成的主要基因。通过RNA-seq数据的分析发现，AN2的表达量在饱和突变株系phdef-151转录组中下调明显（图8 ），这表明PhDEF是直接激活花瓣中AN2表达的一个很好的候选基因。矮牵牛叶中AN2的异位表达足以通过诱导AN1的表达来触发该组织中花青素的积累。
最后，作者通过所有研究结果得出推论，PhDEF可能是花瓣特性与其表皮色素沉着之间的直接联系。
图8 不同时期AN1、AN2的表达情况
文章来源：植物生物技术Pbj
