數(shù)百萬年前，芥菜家族的一些植物通過兩個微小的調(diào)整轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝹€基因，從簡單的葉子轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的葉子。對小增強子序列的一次調(diào)整使該基因在葉中具有新的表達域。矛盾的是，另一個調(diào)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(chǎn)生了具有復(fù)雜葉子的適合植物。根據(jù)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(fù)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(xué)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(xué)Lewis-Sigler綜合基因組學(xué)研究所所長邁克萊文解釋說，“基因重復(fù)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(fù)基因發(fā)生分歧或“亞功能化”時，這可能會導(dǎo)致基因表達和蛋白質(zhì)功能的新模式，但令人驚訝的是這種“偶聯(lián)亞功能化”的例子很少。

科學(xué)家必須研究事物隨時間變化的最佳方法之一是觀察相關(guān)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(fù)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(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)稱為RCO的同源盒基因?qū)娌酥参锏娜~片形狀變化很重要。RCO基因(其縮寫代表降低的復(fù)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(fù)雜的形狀。RCO 通過復(fù)制已存在的基因LMI1 而在芥菜家族中出現(xiàn)?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)基因組中RCO的獲得或喪失與復(fù)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(jīng)丟失，這種植物葉子很簡單; 當科學(xué)家通過基因改造將RCO添加到水芹中時，植物變得復(fù)雜而不是簡單的葉子。

在目前的這項研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(fù)雜的葉子。MPIPZ比較發(fā)展和遺傳學(xué)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(chǎn)生蛋白質(zhì)。 “ 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，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(fù)雜而不是簡單的葉子，就像毛茸茸的苦瓜一樣。他們得出結(jié)論，獲得RCO增強劑是在多毛刺的進化歷史中獲得復(fù)雜葉片形狀的關(guān)鍵步驟。

由RCO和LMI1基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)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(chǎn)生微型植物。此外，這些蛋白質(zhì)不是完全可互換的--LMI1可以實現(xiàn)RCO的功能以增加葉子復(fù)雜性，但代價是減少葉子大小。Tsiantis的結(jié)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(quán)衡取舍。”

但是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，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(fù)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(xué)家們得出結(jié)論，自然選擇作用于RCO DNA序列，以保留編碼序列(產(chǎn)生RCO蛋白)和增強子(調(diào)節(jié)它)的變化。 )。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，RCO對光合作用過程中二氧化碳的固定以及植物的種子產(chǎn)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(fù)雜的葉子而不是簡單的葉子?？茖W(xué)家推測這可能與溫度的變化有關(guān)，這有利于復(fù)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(chǎn)生的復(fù)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(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)和蛋白質(zhì)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(fù)雜性的許多例子。”

這項研究為其他科學(xué)家和我們所有人提供了關(guān)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。