一小块DNA对叶子形状有很大影响

数百万年前，芥菜家族的一些植物通过两个微小的调整转变为单个基因，从简单的叶子转变为复杂的叶子。对小增强子序列的一次调整使该基因在叶中具有新的表达域。矛盾的是，另一个调整在这个新域中对其功能进行了次优化。但是，这些变化共同产生了具有复杂叶子的适合植物。根据本周发表于“ 基因与发展”的研究报告。这篇文章借鉴了马克斯普朗克植物育种研究所(MPIPZ)的工作，展示了芥菜植物开发出一种复杂而非简单的叶子形状的特殊遗传机制。

我们知道DNA塑造了生物的物理形态。但是仍然有很多我们不知道如何发生这种情况。事实上，生物学中的一个基本问题是理解塑造我们自然世界多样性的遗传变化。普林斯顿大学Lewis-Sigler综合基因组学研究所所长迈克莱文解释说，“基因重复和分歧通常被认为是进化变革的首要机制。” 他指出，这项新研究的令人兴奋的是，当重复基因发生分歧或“亚功能化”时，这可能会导致基因表达和蛋白质功能的新模式，但令人惊讶的是这种“偶联亚功能化”的例子很少。

科学家必须研究事物随时间变化的最佳方法之一是观察相关物种之间可观察到的差异。芥菜家族中的两个亲戚，拟南芥(Arabidopsis thaliana)和毛茸茸的苦瓜(Cardamine hirsuta)，具有不同的叶子形状 - 拟南芥的简单叶子看起来与毛茸茸的苦瓜的复杂叶子非常不同。叶子是光合作用(从而固碳)发生的地方，这意味着叶子在生态和生理上对植物的成功很重要。

来自MPIPZ的科学家已经发现称为RCO的同源盒基因对芥菜植物的叶片形状变化很重要。RCO基因(其缩写代表降低的复杂性)存在于多毛的苦瓜中，其功能是通过局部抑制叶缘的生长将叶分成不同的小叶，形成复杂的形状。RCO 通过复制已存在的基因LMI1 而在芥菜家族中出现。科学家们发现基因组中RCO的获得或丧失与复杂叶片形状的获得或丧失之间存在良好匹配。例如，在拟南芥中，RCO基因已经丢失，这种植物叶子很简单; 当科学家通过基因改造将RCO添加到水芹中时，植物变得复杂而不是简单的叶子。

在目前的这项研究中，科学家发现了一小段DNA，称为增强剂，它决定了为什么需要RCO而不是LMI1来制造复杂的叶子。MPIPZ比较发展和遗传学系主任Miltos Tsiantis解释说，这种增强子“进化为切换每个基因，在叶片的LMI1和叶子底部的RCO完全不同的区域产生蛋白质。 “ 科学家发现，当他们用LCO序列替换LMI1基因中的这种增强子时，拟南芥(没有RCO基因)变得复杂而不是简单的叶子，就像毛茸茸的苦瓜一样。他们得出结论，获得RCO增强剂是在多毛刺的进化历史中获得复杂叶片形状的关键步骤。

由RCO和LMI1基因产生的蛋白质是强生长抑制因子，因此可能成为植物整体的问题：它们中的太多产生微型植物。此外，这些蛋白质不是完全可互换的--LMI1可以实现RCO的功能以增加叶子复杂性，但代价是减少叶子大小。Tsiantis的结论是“改变形态的能力与对增长和发展的潜在不利影响之间存在权衡取舍。”

但是科学家发现，与LMI1相比，单个氨基酸的变化降低了RCO蛋白的稳定性，最大​​限度地提高了叶片复杂性和叶片大小之间的平衡。通过比较RCO和LMI1 基因进化的速率，科学家们得出结论，自然选择作用于RCO DNA序列，以保留编码序列(产生RCO蛋白)和增强子(调节它)的变化。 )。

科学家们发现，RCO对光合作用过程中二氧化碳的固定以及植物的种子产量有积极作用，这意味着它对植物成功和存活的机会有积极作用。

在芥菜植物的进化历史中，不可能知道哪些环境条件可能有利于复杂的叶子而不是简单的叶子。科学家推测这可能与温度的变化有关，这有利于复杂叶子捕获光，交换气体或输送水的差异 - 但是没有真正的方法可以肯定地知道。然而，很清楚的是，RCO及其产生的复杂叶子形状影响了一些对植物性能很重要的事物，这有助于理解为什么RCO中的这些DNA序列被自然选择保留。

在进化方面，这项研究最有趣的是它通过使RCO基因整体工作效果较差，显示了RCO增强子对植物最有效的方式; 也就是说，进化引入了植物遗传结构的变化，同时也减弱了这些变化的潜在负面后果。Levine说，植物同源异形盒基因的调节和蛋白质功能的这种耦合变化“提供了发育中双重亚功能化的教科书例子，其基本原理也将适用于动物系统中形态多样性和复杂性的许多例子。”

这项研究为其他科学家和我们所有人提供了关于进化变化如何发生的重要思想; 遗传变化如何超过进化时间尺度，塑造了地球上生命的多样性。