植物激素和转录组分析揭示了 Pinellia ternata 中异形叶现象的分子机制

《BMC Plant Biology》：Phytohormone and transcriptome analyses unravel the molecular mechanisms of heterophylly in Pinellia ternata

摘要

背景

Pinellia ternata（Thunb.）Breit. 的叶片形状存在显著变异，这种变异与其生长、发育和药用价值密切相关。然而，导致叶片形态多样性的生理和分子机制目前仍不甚明了。在本研究中，我们系统地探讨了叶片形状变异与植物激素调节及基因表达之间的关系。

方法

本研究以 P. ternata 的四种不同叶片类型（牡丹叶型、桃叶型、竹叶型和柳叶型）作为研究对象。测量了叶片的形态特征，并通过 ELISA 方法检测了生长素（IAA）、细胞分裂素（CTK）和赤霉素（GA?）的含量。随后进行了转录组测序，以识别各叶片类型间差异表达的基因（DEGs），并进行了 GO 和 KEGG 通路富集分析。通过 RT-qPCR 验证了与激素合成和信号传导相关的候选基因。

结果

四种叶片类型在叶片长度、叶片宽度以及长宽比方面存在显著差异，其中柳叶型的叶片最长，牡丹叶型的叶片最宽。IAA 含量与叶片长度和长宽比呈强正相关，而与叶片宽度、叶基角和叶尖角呈强负相关，这表明 IAA 可能是影响叶片形状形成的关键激素。转录组分析发现了大量差异表达基因（DEGs），其中柳叶型的基因表达谱最为明显。GO 和 KEGG 通路富集分析表明，这些差异表达基因主要参与次生代谢产物合成以及淀粉和蔗糖代谢等生理过程。研究筛选并验证了多个候选基因，包括 PtIAA13、PtGID2、PtARF19 和 PtGA3ox1。

结论

P. ternata 的叶片形状变异受内源性激素（尤其是 IAA）的调控，并与相关基因的表达密切相关。牡丹叶型的基因表达模式最为稳定。本研究为理解 P. ternata 叶片形状形成的生理和分子机制提供了理论基础，同时为该药用植物的品种选育和质量控制提供了参考。