數百萬年前，芥菜家族的一些植物通過兩個微小的調整轉變?yōu)閱蝹€基因，從簡單的葉子轉變?yōu)閺碗s的葉子。對小增強子序列的一次調整使該基因在葉中具有新的表達域。矛盾的是，另一個調整在這個新域中對其功能進行了次優(yōu)化。但是，這些變化共同產生了具有復雜葉子的適合植物。根據本周發(fā)表于“ 基因與發(fā)展”的研究報告。這篇文章借鑒了馬克斯普朗克植物育種研究所(MPIPZ)的工作，展示了芥菜植物開發(fā)出一種復雜而非簡單的葉子形狀的特殊遺傳機制。

我們知道DNA塑造了生物的物理形態(tài)。但是仍然有很多我們不知道如何發(fā)生這種情況。事實上，生物學中的一個基本問題是理解塑造我們自然世界多樣性的遺傳變化。普林斯頓大學Lewis-Sigler綜合基因組學研究所所長邁克萊文解釋說，“基因重復和分歧通常被認為是進化變革的首要機制。” 他指出，這項新研究的令人興奮的是，當重復基因發(fā)生分歧或“亞功能化”時，這可能會導致基因表達和蛋白質功能的新模式，但令人驚訝的是這種“偶聯亞功能化”的例子很少。

科學家必須研究事物隨時間變化的最佳方法之一是觀察相關物種之間可觀察到的差異。芥菜家族中的兩個親戚，擬南芥(Arabidopsis thaliana)和毛茸茸的苦瓜(Cardamine hirsuta)，具有不同的葉子形狀 - 擬南芥的簡單葉子看起來與毛茸茸的苦瓜的復雜葉子非常不同。葉子是光合作用(從而固碳)發(fā)生的地方，這意味著葉子在生態(tài)和生理上對植物的成功很重要。

來自MPIPZ的科學家已經發(fā)現稱為RCO的同源盒基因對芥菜植物的葉片形狀變化很重要。RCO基因(其縮寫代表降低的復雜性)存在于多毛的苦瓜中，其功能是通過局部抑制葉緣的生長將葉分成不同的小葉，形成復雜的形狀。RCO 通過復制已存在的基因LMI1 而在芥菜家族中出現?？茖W家們發(fā)現基因組中RCO的獲得或喪失與復雜葉片形狀的獲得或喪失之間存在良好匹配。例如，在擬南芥中，RCO基因已經丟失，這種植物葉子很簡單; 當科學家通過基因改造將RCO添加到水芹中時，植物變得復雜而不是簡單的葉子。

在目前的這項研究中，科學家發(fā)現了一小段DNA，稱為增強劑，它決定了為什么需要RCO而不是LMI1來制造復雜的葉子。MPIPZ比較發(fā)展和遺傳學系主任Miltos Tsiantis解釋說，這種增強子“進化為切換每個基因，在葉片的LMI1和葉子底部的RCO完全不同的區(qū)域產生蛋白質。 “ 科學家發(fā)現，當他們用LCO序列替換LMI1基因中的這種增強子時，擬南芥(沒有RCO基因)變得復雜而不是簡單的葉子，就像毛茸茸的苦瓜一樣。他們得出結論，獲得RCO增強劑是在多毛刺的進化歷史中獲得復雜葉片形狀的關鍵步驟。

由RCO和LMI1基因產生的蛋白質是強生長抑制因子，因此可能成為植物整體的問題：它們中的太多產生微型植物。此外，這些蛋白質不是完全可互換的--LMI1可以實現RCO的功能以增加葉子復雜性，但代價是減少葉子大小。Tsiantis的結論是“改變形態(tài)的能力與對增長和發(fā)展的潛在不利影響之間存在權衡取舍。”

但是科學家發(fā)現，與LMI1相比，單個氨基酸的變化降低了RCO蛋白的穩(wěn)定性，最大??限度地提高了葉片復雜性和葉片大小之間的平衡。通過比較RCO和LMI1 基因進化的速率，科學家們得出結論，自然選擇作用于RCO DNA序列，以保留編碼序列(產生RCO蛋白)和增強子(調節(jié)它)的變化。 )。

科學家們發(fā)現，RCO對光合作用過程中二氧化碳的固定以及植物的種子產量有積極作用，這意味著它對植物成功和存活的機會有積極作用。

在芥菜植物的進化歷史中，不可能知道哪些環(huán)境條件可能有利于復雜的葉子而不是簡單的葉子?？茖W家推測這可能與溫度的變化有關，這有利于復雜葉子捕獲光，交換氣體或輸送水的差異 - 但是沒有真正的方法可以肯定地知道。然而，很清楚的是，RCO及其產生的復雜葉子形狀影響了一些對植物性能很重要的事物，這有助于理解為什么RCO中的這些DNA序列被自然選擇保留。

在進化方面，這項研究最有趣的是它通過使RCO基因整體工作效果較差，顯示了RCO增強子對植物最有效的方式; 也就是說，進化引入了植物遺傳結構的變化，同時也減弱了這些變化的潛在負面后果。Levine說，植物同源異形盒基因的調節(jié)和蛋白質功能的這種耦合變化“提供了發(fā)育中雙重亞功能化的教科書例子，其基本原理也將適用于動物系統(tǒng)中形態(tài)多樣性和復雜性的許多例子。”

這項研究為其他科學家和我們所有人提供了關于進化變化如何發(fā)生的重要思想; 遺傳變化如何超過進化時間尺度，塑造了地球上生命的多樣性。