近日，学院核农所洪丽兰研究团队与里昂高等师范学院Olivier Hamant教授在国际期刊Current Biology发表了题为“A 3-component module maintains sepal flatness in Arabidopsis”的研究论文。
器官形态的控制机制一直是发育生物学的研究热点，然而，目前对器官三维形态的控制机制仍然知之甚少。多细胞生物的器官在三维形态上呈现出惊人的多样性，理解调控器官三维形态的机制对于揭示器官功能至关重要。本研究独辟蹊径以拟南芥萼片为系统，采用活体实时成像、生物力学分析等新兴技术，以筛选拟南芥萼片三维形态异常突变体为研究的入手点，揭示了一个由VIP4、ARF3以及VGD1构成的萼片弯曲度调控模块。
为解析器官形态的调控网络，该研究通过对拟南芥进行EMS诱变，研究团队筛选到了两个具有萼片外翻表型的突变体，杂交实验以及BSA-seq等结果表明，它们是由VIP4基因不同突变导致的等位基因突变体（vip4-4，vip-5）。进一步的互补实验成功恢复了突变体的表型，进一步验证了VIP4在维持萼片扁平形态中的重要作用。
为了解析突变体萼片外翻的细胞学机制，通过对萼片外翻过程进行实时成像发现，vip4-4突变体萼片近轴面的细胞生长速度快于远轴面，导致两侧生长不平衡，最终引发了萼片的向外弯曲。通过原子力显微镜测量，研究进一步表明vip4-4萼片近轴面的细胞壁较远轴面软，这些结果表明，在vip4-4萼片中，近轴面较软的细胞壁导致近轴面细胞生长更快，引起两侧生长不平衡，最终导致器官向外弯曲。
RNA-seq结果显示，ARF3基因在vip4-4突变体中的表达显著上调，ARF3突变能够部分抑制vip4-4萼片的外翻。此外，ARF3的同源基因ARF4在突变体中的表达也发生了上调。在突变体中表达靶向ARF3和ARF4的人工小RNA（amiRNA）能够显著抑制萼片外翻，在WT中引入pARF3::ARF3m-GFP能够促使萼片外翻，这些结果表明ARF3在这一过程中发挥着关键作用。
在萼片早期发育阶段，在WT萼片中ARF3则主要分布在远轴面，而在vip4-4萼片中ARF3的分布有从远轴面向近轴面扩展的趋势。在萼片发育后期，WT萼片中检测不到ARF3的表达，而在vip4-4的萼片中依旧可以在近轴面和远轴面检测到ARF3的表达，说明vip4-4中ARF3的表达时间延长且分布范围扩展了。Chip-qPCR结果显示VIP4能够结合ARF3和TAS3，表明VIP4可以通过直接调控ARF3和影响TAS3表达间接地来调节ARF3的分布。
进一步研究发现，vip4-4萼片中生长素转运蛋白基因的表达发生显著变化，生长素转运蛋白PIN1的分布也呈现非极性的定位，PIN1的非极性定位可能是是由于ARF3的异常分布导致的。此外，研究还发现ARF3通过调控果胶甲酯酶VGD1基因的表达进一步影响萼片的形态。实验结果显示，VGD1的表达水平与ARF3呈负相关。VGD1的过表达能够增强细胞壁硬度。此外，在近轴面异位表达VGD1能够抑制vip4-4萼片的外翻，这进一步表明vip4-4萼片的外翻是由于近轴面细胞壁较软导致的。
综上所述，本研究揭示了一个由VIP4-ARF3-VGD1三个组分构成的模块，该模块将植物激素、细胞壁机械特性和器官弯曲度联系在一起，确保萼片生长过程中的扁平状态。VIP4通过直接和间接的作用调控ARF3的表达和分布，而ARF3通过调控生长素活性和果胶修饰来调控萼片两侧的细胞壁刚度及生长，进而影响萼片的形态。该研究为理解植物器官形态调控的机制提供了新的视角，也为进一步探索植物发育的分子机理奠定了基础。
浙江大学洪丽兰研究员与里昂高等师范学院Olivier Hamant教授为该论文的通讯作者，浙江大学已毕业博士生许守领和博士生何曦为论文的共同第一作者，里昂高等师范学院Duy-Chi Trinh博士、张鑫裕博士，浙江大学农学院吴晓疆博士生、已毕业硕士生仇登瀛、向丹博士参与了该研究。浙江大学生科院周明研究员、美国康奈尔大学Adrienne H.K. Roeder教授对改论文给予了指导与帮助。该研究得到了国家自然科学基金、浙江大学百人计划项目、中国博士后科学基金、欧洲研究理事会、印-法先进研究项目基金、美国国立卫生研究院资助。
