“异形叶”是指基因型相同的植物由于环境变化导致叶形显著差异的现象，这一现象在水生植物中常见。异形叶植物的水生叶常为深裂、丝状或线形，叶片较薄，气孔密度较低或缺失；而陆生叶的叶形则相对简单，叶片较厚而维管束发达，气孔密度较高。异形叶是研究植物表型与生态环境适应性的理想模型，不同进化地位的异形叶植物在相同环境下具有相似的表型特征，这也为探究植物趋同进化机制提供了独特的研究模型。然而，由于缺乏合适的模式植物，其分子机制研究进展缓慢，异形叶调控机制尚不清楚。
近年来，中国科学院水生生物研究所研究员侯宏伟团队筛选发现一种爵床科水生植物异叶水蓑衣（hygrophila difformis）的叶形在不同环境条件下存在显著差异，其异形叶特征明显，水生叶和陆生叶具有明显区别（图1）。此外，该植物具有植株大小合适、生长迅速、能够响应多种环境变化等优势（li et al., 2017）。该团队建立了异叶水蓑衣的稳定遗传转化体系，为探索其分子机制奠定了基础（li et al., 2020）。近日，该团队以异叶水蓑衣为实验材料，探讨了knotted1-like homeobox （knox1）基因家族中shoot meristemless (stm)在异叶水蓑衣叶形发育中的功能，通过遗传学证据证明hdstm参与异叶水蓑衣的异形叶发育过程。
研究发现，与陆生环境相比，异叶水蓑衣的hdstm在水生环境中的表达水平显著提高。原位杂交结果表明，不同于拟南芥等模式植物中stm仅局限于茎顶端分生组织的表达模式，hdstm在茎顶端分生组织、叶缘锯齿或小叶中的表达均较高，其基因表达模式随环境条件的变化而改变，具有显著的物种特异性。在拟南芥中异源过表达该基因能够使其产生叶裂增加等表型，而调控植物器官边界和叶缘发育的cup-shaped cotyledon (cuc)基因的表达也显著提高。过表达hdstm的异叶水蓑衣在陆生环境下无明显叶形变化，而在水淹条件下能够迅速产生深裂叶（图2）；hdstm的rnai植株叶形及叶序发育受阻，沉水叶的复杂程度显著降低。原位杂交实验表明，hdstm与hdcuc3表达模式相近。酵母双杂交和bifc等实验证明hdstm与hdcuc3存在蛋白互作，这表明hdstm可能与hdcuc3共同调控异叶水蓑衣的异形叶形成（图3）。该研究首次利用分子生物学证据探明stm参与水生植物异形叶形态发生的调控和机制（li et al., 2022）。
相关研究成果以shoot meristemless participates in the heterophylly of hygrophila difformis (acanthaceae)为题，在线发表在plant physiology上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中科院国际伙伴计划的支持。
图1.异叶水蓑衣在水生和陆生环境下的异形叶表型：a、陆生植株，b、沉水植株，c、陆生植株水淹后的叶形变化。
图2.沉水条件下hdstm的过表达植株叶形复杂程度迅速增加：a、野生型及过表达hdstm的陆生植株，b、野生型及过表达hdstm的陆生叶形，c、野生型及过表达hdstm的陆生植株水淹14天后的植株表型，d、野生型及野生型及过表达hdstm的陆生植株水淹14天后的叶形。
图3.酵母双杂交和bifc验证hdstm和hdcuc3的互作关系：a、酵母双杂交，b、bifc实验。
研究团队单位：水生生物研究所
