创新背景

叶子是高等植物的营养器官，侧边发育自植物的茎的叶原基。叶内含有叶绿体，是植物进行光合作用的主要器官。同时植物的蒸腾作用也是通过叶子的气孔实现的。

创新过程

东京大学的研究团队发现，叶子的气孔（叶子表面的微小孔隙）对于植物而言相当于肺的模式。当气孔打开时，二氧化碳、氧气和水蒸气可以进出叶片进行光合作用和呼吸。人工操纵气孔的数量是在不断变化的气候中保持作物健康的一种潜在方法。

Callitriche属的植物很短，叶子呈椭圆形，大小约为1厘米，经常生长在稻田的小水道中。

东京大学团队正在研究Callitriche属的多种植物，其中包括陆生物种和水生物种。水生Callitriche的气孔分布模式与普通实验室物种拟南芥不同。拟南芥和Callitriche来自不同的进化谱系，研究人员分析了一种陆生物种，发现它看起来更像拟南芥。

Callitriche的气孔和它们周围的细胞在水生植物的叶子表面比陆生植物叶子上的可变细胞大小要均匀得多。两种进化上密切相关的植物物种具有如此不同的气孔发育模式的这种模式暗示了它们在陆地或水中的生活条件可能调节气孔发育的可能性。

表达参与气孔发育的两个基因SPEECHLESS（绿色）和MUTE（洋红色）

研究人员完善了一种可视化完整完整植物叶片每个细胞中基因活性的方法，使用全安装荧光原位杂交技术，在不将植物切割成超薄切片的情况下使用这些分子生物学工具。

来自陆生和水生叶子的图像证实，植物使用相同的两个基因来发育气孔，但这些基因在不同的时间是活跃的。在绝大多数植物中，基因SPEECHLESS促进新形成的叶子表面一组细胞的生长和分裂。最终，基因MUTE在这些细胞中变得活跃并阻断SPEECHLESS，导致这些细胞停止分裂，然后分化为气孔。通过将人工荧光标签与这两个基因结合，研究人员可以在单细胞分辨率中看到何时SPEECHLESS被抑制并且MUTE变得活跃。

陆生物种的气孔（红色）是在称为分生组织（浅绿色）的特殊细胞的多次分裂后产生的，而两栖物种的气孔是由分生组织直接产生的，没有任何分裂。

在陆地Callitriche中，研究人员在所有不同年龄的细胞中发现了MUTE表达。MUTE仅在水生物种的较老细胞中表达更均匀，这些细胞似乎跳过分裂阶段并且具有协调的延迟，直到叶片发育后期才激活MUTE。

研究人员认为，水生物种的进化是为了延迟气孔的形成，以等待和感知这片新叶子是否会完全淹没，或者它是否会在水线以上。气体交换在水下效率较低，因此淹没的叶子通常比空气中的叶子具有更少的气孔。结果表明，物种的生活环境是选择其气孔发育模式的重要进化力量，气孔发育不仅受遗传影响。

创新关键点

研究使用全安装荧光原位杂交成像技术和实验室中不常见的Callitriche属植物物种，揭示了生活在陆地上的植物与可以在水中生长的植物进化的关键差异。通过了解导致灵活控制物种之间SPEECHLESS和MUTE表达的完整遗传途径，科学家可能能够预测哪些植物的进化谱系更有可能优化其气孔，使其在不断变化的气候中安全生长。