禾本科植物葉形態發育的多階段動力學模型

王偉光，王顯國

（中國農業大學動物科技學院草業科學系，北京100193）

葉發育是禾本科植物營養生長過程及其適應性的最重要組成部分［1，2］。禾谷類作物一定時期內的產量與葉指標如有效葉面積、光合速率等直接相關，且牧草的冠層生物量及植被凈初級生產力（net primary productivity，NPP）也與其葉片發育存在著直接的相關關系［3－5］。根據禾本科植物葉生長過程中的某些特點，在研究中采用適當的數學模型對葉的形態發育動態進行動力學擬合可以大大簡化數據的歸類與分析過程，準確界定影響葉發育的外界因素類型及其作用機制，并與植物的生理過程及各種微觀調控機制相聯系，達到互相印證的目的，因而具有重要的理論及實際意義［6－8］。

國外在20世紀80年代初即開展了對禾本科植物葉發育過程中的動力學模型的相關研究工作［9］。自20世紀90年代末以來，國外一批植物形態學家及生理學家逐漸在研究植物器官生長、細胞發育過程及環境適應性等方面的研究中發展出了一系列針對禾本科植物葉發育過程的動力學模型［6，9，10］，并已在近20年來大量用于一些禾本科作物環境適應性的分子機制探索如水分虧缺及鹽害［1，3，11－13］、低溫及矮化［14－16］、脅迫條件下植物葉生長過程中的酶調控［17－19］、禾本科植物葉分裂過程中細胞周期基因與生長相關蛋白的表達與調控機制［2，20－24］等的相關研究，逐漸成為了實驗中一類以數學手段定量表述禾本科植物葉形態發育過程的重要輔助方法。依據研究對象尺度的不同，這些動力學模型又可以分為研究全葉發育情況的全葉發育（leaf growth）動力學［8，25，26］、葉生長過程中其基部生長區長度及細胞特征的整體動態變化的葉片生長區（leaf growth zone）發育動力學［10，27，28］、葉生長區內單個細胞成熟動態的細胞流（cell flux）動力學［29，30］及位于葉生長區基部分裂區內處于分裂活動狀態下的細胞其周期變化動態及其可塑性的細胞周期（cell cycle）動力學［2，31］等不同的層次。這些不同對象、不同尺度的動力學模型中，最具有代表意義的是近年由Hillier等［6］完善的多階段（multi－phase）動力學模型，首次結合了葉形態發育的宏觀與微觀層次，以葉發育過程中一系列宏觀尺度的動力學參數為主要指標，采用數學方法重新定義了葉形態發育過程中的4個主要階段。結合適當的參數（積溫），可將葉發育過程中其基部生長區的整體動態及可塑性機制與生長區內細胞分裂與細胞伸長生長的生理學及分子生物學意義相聯系，具有統合國內外現行各種不同尺度的葉發育動力學模型的潛力［6，7］。時至今日，國外已有一系列專題文章分別從不同角度闡述了這些禾本科植物葉發育過程的動力學建模思想［6，8，10］及葉發育適應性的動力學機制［1－3，11］，而目前國內對禾本科植物葉形態發育的這種動力學輔助研究手段的認識仍然停留于起步階段。雖然最近已有少數研究者從虛擬作物的角度對禾本科植物葉的生長動態進行了一些工作［32－34］，但依舊是零散的、孤立的，缺乏形態學及生理學意義，并且沒有與植物生長發育的客觀規律相聯系；另一方面，對于禾本科植物環境適應性機制的研究仍然是近年來植物生理學及生態學的熱門發展方向，可以斷言葉生長的動力學建模手段在今后一段時間內也會繼續成為此領域的一類重要輔助研究方法。

從禾本科植物的形態發育過程入手，概要介紹了多階段動力學模型的一般動力學建模思想，并結合國內外現今該領域的主要研究方向，從植物葉形態發育可塑性的角度簡短分析了環境影響下禾本科植物葉發育適應性過程中宏觀與微觀尺度下的動力學機制，有望對國內今后開展該領域的研究提供有益的參考作用。

1 禾本科植物葉的發育過程與多階段（multi－phase）動力學模型

禾本科植物的葉由葉片及葉鞘兩者構成，并由葉舌分隔，葉的生長區（leaf growth zone）位于葉基部［9，35］。以表皮細胞的演化進程作為標準，可將葉生長區分為兩部分：1）分裂區（或稱葉居間分生組織；leaf division zone或leaf intercalary meristem），位于生長區基部，此處進行細胞的分裂；2）伸長區（leaf elongation zone或leaf extension zone），位于分裂區之上，進行細胞的伸長生長［28，29，31，36］。組織細胞不斷由葉基部的分裂區產生，以細胞“流”（cell flux）的形式進入伸長區完成伸長生長，而后進入成熟區，細胞壁停止伸長生長（即細胞的初生生長），并在隨后的生長過程中逐漸完成諸如次生壁沉積、葉肉發育、光合系統構建等次生生長過程［9］。整個生長區結構為舊有葉的葉鞘所形成的環狀結構（或稱葉領；sheath tube或whorl）所包被，起到保護的作用［37，38］。在葉居間分生組織中，組織細胞同時進行分裂與伸長生長，而在伸長區細胞繼續延長，但不再進行細胞分裂［9］。因此，就葉片的伸長生長而言，細胞的分裂與細胞的伸長是兩個相對獨立的過程［11，29］。

在禾本科植物中，葉的發育不僅僅包含葉片的發育，也包括葉舌的形成及葉鞘的生長，當葉鞘完全停止生長后，葉的發育才算完全，由新葉（juvenile leaf）變為成熟葉（mature leaf）［39，40］。幼葉首先由分蘗生長錐頂部的葉原基起始，進行各個方向的分裂，其長度的增大主要以細胞分裂為主，建成葉的居間分生組織（即葉分裂區）。爾后，分生組織前段的表皮細胞逐漸轉入伸長生長，持續進行延長生長直至細胞完全成熟，依次形成伸長區及成熟區。因此，從時間角度而言禾本科植物葉的發育順序是葉片—葉舌—葉鞘，成熟葉中葉片與葉鞘最終長度的比例則由葉舌在葉居間分生組織中的出現時機決定［40，41］。

按照葉生長區的活動情況，可將禾本科植物葉發生至衰老的完整過程劃分為以下幾個階段［10，32，40，42］，1）發生期（initiation stage），葉原基自植株分蘗的頂端分生組織出現；2）露尖前期（pre－appearance stage）：發生期后幼葉在舊有葉葉鞘包裹下的伸長生長過程，新出葉尚未從舊葉的葉領處冒出；3）露尖期（appearance stage），新出葉葉尖自葉領（舊有葉葉鞘環抱新葉所構成的領狀結構）處冒出成為可見葉，葉居間分生組織區域停止擴大，同時新葉的葉舌（ligule）自葉片基部形成；4）延伸期（露尖后期）（post－appearance stage）：葉片露尖后的繼續伸長，新葉的葉舌自葉基部隨細胞分裂逐漸上移，葉舌以下繼續進行著細胞的分裂，開始葉鞘的建成；5）成熟期（maturity stage）：葉片生長速度逐漸降低直至停止，葉鞘部分繼續生長，逐漸形成完整的葉領，最后葉片完全成熟，葉的伸長生長結束；6）衰老期（senescence stage）：成熟葉的衰老過程。

相比單純的時間尺度，積溫更能從細胞水平及宏觀尺度精確描繪禾本科植物葉的發育進程［2，10，26，43］。若以生長積溫（有效積溫）為橫坐標，以生長速度為縱坐標，可將禾本科植物葉片的生長過程分為4個大的階段，1）指數期1（exponential phase 1）；2）指數期2（exponential phase 2）；3）線性期（linear extension phase）；4）衰減期（plateau phase）［6，38，44，45］。這4個階段在細胞層面各自有其嚴格的對應關系：生長錐某節的葉片發生開始后，其基部的分裂區首先建成，維持一個恒定的相對生長速率直至達到某個特定的長度，葉原基完全由具有分裂能力的細胞構成，此階段為指數期1，此時期的特征常數為葉組織的相對生長速率（relative growth rate，RGR），對應著一個特征性的常數Ra；在指數期2，分裂區建成完畢，前端的細胞開始快速的伸長生長直至伸長區的完全建成，此階段幼葉的相對生長速率為Rb；一旦伸長區發育完畢，葉長度的增長即進入平穩增長的線性期，葉的生長速率（leaf elongation rate，LER）對應第3個常數Rc；在葉發育后期，生長區長度逐漸縮短，葉的伸長生長速度迅速降低直至完全停止，是為衰減期。不同種類的禾本科植物各生長期的相對長度差距很大，如水稻（Oryza sativa）的線性期很短（2～4d／20℃），衰減期較長（8～10d／20℃）［45］；而對于高粱（Sorghum bicolor）的自第8葉后，每片葉線性期內的生長過程均是葉片長度的最重要組成部分［26］。由于禾本科植物葉片發育依據其展開順序而差異明顯，因此用積溫這一標準來區分禾本科植物葉各階段的發育進程時，更能精確反映一些發育過程間的對應關系［10，44］。

在不同的禾本科植物中，指數期1和指數期2各自的RGR（Ra、Rb）也有所差別，如小麥（Triticum aestivum）兩者間差距明顯［10］，而在高粱葉片的發育過程中相近［26］；但由于兩者的生理學性質類似（均為區域的指數型建成生長，即細胞流速率的導數為常數），因此在實際計算中為簡便起見可將兩者合并為一項［6，16，46，47］，此處簡寫為R1。在引入相應參數后，可利用動力學手段將禾本科植物生長過程中葉器官長度隨環境有效積溫的變化過程作一數學建模，定量化表述禾本科植物葉在不同發育時期中生長特性的變化。設葉片在指數期的最大長度為L1，其相對生長速率為R1；在線性期內的葉片最大長度為L2，其絕對生長速率為R2（即Rc）；以環境積溫（t，℃／d）為自變量，以L0表示葉發育開始時（此時初始積溫以T0表示）的葉初始長度，則積溫t時的葉片長度L可表示為f（t；θ）：

θ為樣本參數的矢量［6］。設葉發育的初始積溫為T0，則此時L（t）＝L0；待積溫達到T1時，模型則由指數期向線性期轉變，此時L（t）＝L1。當積溫達到T2時，器官生長停止，此時L（t）＝LMAX。因此L1、LMAX可表示為：

在葉發育指數期與線性期轉折點附近，葉片生長率（leaf elongation rate，LER）可表示為

此模型意味著禾本科植物葉片生長過程中其增長速率具有快速指數型生長—慢速線性增長—生長衰退—生長停止的4個階段過程。此模型還適用于諸多具有類似間接生長機制的植物器官，如根尖、莖尖等。對于禾本科植物而言，此模型同樣部分適用于葉發育過程中葉鞘及全葉生長速率的變化［6，43］。

2 禾本科植物葉形態發育的可塑性及其動力學分析

禾本科植物葉的生長過程中往往會遭遇一定程度的外來干擾（如根際高鹽濃度、缺水、刈割或動物采食、環境過熱或過冷等），植株往往會表現出一系列的適應性機制，因此禾本科植物葉生長區的可塑性是禾本科植物葉片環境適應性的基礎。對于植物而言，環境因子對植物葉發育的影響可劃分為無機因素（如環境溫度、光照、水分等）及有機因素（刈割、放牧、采食等）兩個大的類別［3，48］。雖然葉發育過程中環境適應性的具體表現千差萬別，但借助動力學分析方法，可將其簡化為以積溫為橫坐標的動力學方程R1、R2、T1、T2、L1、L2等參數的變化，極大地提高了葉生長過程數學描述的可行性和準確性，并與葉發育過程中的微觀機理緊密聯系。

2.1 環境溫度

環境溫度對禾本科植物發育的影響部位位于葉基部的生長區，可以顯著地影響葉片的形態發育進程［49］。這種響應相當快速，如野外條件下生長的沙生冰草（Agropyron desertorum）及擬鵝觀草（Pseudoroegneria spicata）葉生長速度隨日氣溫的變化而明顯呈慢速上升－快速上升－下降的生長曲線，即參數R2的快速響應［50］。各種禾本科植物葉在生長過程中的積溫與葉片生長的線性期起始（T1）與終止（T2）均呈顯著相關，如小麥葉片最終長度（L2）的90%及線性期伸長生長長度（L2－L1）的80%均與積溫呈線性關系［51］。環境溫度對高羊茅（Festuca arundinacea）的葉生長也具有顯著影響，經低溫處理的高羊茅其葉片及葉鞘終長減少約30%，出葉間期（phyllochron）上升約40%，但葉本身的伸長生長速率（R2）不變［30］。

2.2 晝夜節律

在葉的形態發育過程中晝夜節律的影響是顯著的。在葉的線性期，葉的伸長生長速度（R2）在不同晝夜節律下具有明顯差距，在暗周期中最快，暗周期－光周期交替照射時次之，光周期－暗周期再次，純光周期最慢［52］。在春小麥中，除溫度是影響植株出葉間期的最主要因素以外，其次即為光照條件［53］。在21℃恒定溫度下的高羊茅葉片在暗周期中的生長速度（R1＋R2）要比晝間快60%～65%［54］。

2.3 環境脅迫

作物水分虧缺及鹽脅迫的動力學分析是本領域近年來的另一個研究熱點。水分脅迫包括2個互相作用的主要方面，即蒸汽壓（leaf－to－air vapour pressure）及土壤水勢（soil water potential）。它們均可造成植物葉生長區（L1）縮短、生長速率（LER）下降，但彼此間作用是獨立的［21，55］。高濃度鹽脅迫與水分脅迫類似，可顯著影響植物的生長，使得植物體內的礦物質營養元素失衡，進而在分子水平影響著植物體內的蛋白質合成等［56］。在葉生長發育過程中，高濃度的鹽脅迫可導致禾本科植物葉生長周期（T2）的延長與葉生長速率（LER）的下降［57－59］，使得植物葉最終長度（LMAX）縮短，最終影響植物的冠層面積及光合產出［27，60］，在個體尺度還會顯著降低植株的出葉頻率［60，61］。

2.4 刈割

牧草刈割后葉片的再生是牧草刈割相應過程的重要組成部分。與其他脅迫反應類似（如高鹽濃度、養分缺乏、不良環境等），刈割也可導致牧草葉片生長速率（LER）的顯著下降。刈割對牧草葉的生長的抑制效應是快速且顯著的，并能延續整個葉片生長周期，甚至影響植株后續葉片的延長生長，因此可以認為植株本身對葉片刈割再生的調控是植株的一種主動響應過程［48，62］。牧草對于刈割再生的生理反應可分為2個連續的階段，即短期效應（1～2d）及長期效應（1周以上）。在細胞尺度上，刈割對葉片的短期效應（1～2d以內）主要表現為：1）生長區長度（L1）縮短；2）成熟葉片表皮細胞長度的減少；3）生長區中部葉表皮細胞伸長速率的部分降低；4）分裂區細胞產率的降低，但刈割對生長區基部（包括分裂區上部及伸長區下部）的細胞伸長生長無顯著影響。刈割后葉片的長期效應（以周計）則是葉生長速率（LER）及葉表皮細胞最終長度的持續降低［48，63］。

2.5 葉鞘對禾本科植物葉片生長的限制效應

葉鞘的機械包被作用可以在一定程度上保護禾本科植物的新出葉，使其對外界環境如冷害等有一定的抵抗性［16］，但其對新出葉的生長也具顯著的影響，因此露尖期是禾本科植物葉生長的一個重要轉折點［10，26］。在自然生長條件下，禾本科植物分蘗的葉鞘長度隨著出葉次序而逐漸延長。與舊有葉相比，新出葉在生長區長度（L1）、葉片生長速率（LER）的高低等也在很大程度上由舊有葉的葉鞘高度所決定［58，64］，這樣就導致了禾本科植物分蘗內出葉節律與葉片露尖周期間的差異性［26，65］。將葉領人為切開［37］、低茬刈割（或家畜采食）［62］后，舊有葉的葉鞘部分移除可導致新出葉葉片延長速率減少，生長周期及葉片最終長度（LMAX）及葉鞘長度的下降。在細胞尺度上，這種下降伴隨著與葉生長區表皮細胞尺寸及細胞數量的顯著改變，并與葉所受光照及葉生長區長度（L1）的變化相關［37］。從動力學角度而言，植株發育過程中舊有葉葉領高度（sheath tube length）的變化也是造成禾本科植物葉原基間期（plastochron）及出葉間期（phyllochron）間差異的重要組成部分［10，41］。

2.6 葉器官內及相鄰葉器官間形態發育事件的同步化現象與動力學分析

禾本科植物葉舌的出現與發育是其葉發育過程中的重要事件之一。禾本科植物葉發育中葉舌出現時其在生長區的位置決定了該葉成熟后葉鞘與葉片的相對比例，如高羊茅葉發育過程中葉舌約在其葉片長度達到成熟全長的20%左右時從位于葉基部的分裂區出現［41］。葉舌的出現與完全成熟雖然在禾本科植物葉的發育事件中占有重要地位，但其本身的突變并不影響其他發育“信號”的繼續表達。如玉米（Zea mays）突變體lg－1（liguleless－1，隱性純合突變）缺失葉舌形成能力，但并不影響突變體葉片的正常發育進程［40］。

與水稻等禾本科作物類似，在同一時間點上，禾本科植物分蘗內相鄰葉間也具有較為顯著的同伸長或同步化（synchrony）關系。高羊茅同一分蘗內相鄰3節葉的生長階段間具有顯著相關性，如第N（最老）葉的成熟（葉鞘表皮細胞分裂停止）與第N－1葉葉舌的形成同步，與第N－2（最新，下同）葉原基的生長開始同步；第N－2葉延長生長的開始與第N葉的露尖同步，第N－1葉成熟區的出現與第N葉的露尖同步，第N葉葉舌的出現與葉本身的露尖同步［10，31，41］，因此在實際操作中可以用相鄰兩葉的生長對應關系精確推測目標葉片的發育情況，在非破壞性實驗中計算新出葉在葉領中的發育過程動態［30］。諸多禾本科植物體內這一系列復雜的組織—細胞同步化事件意味著植物體內無疑存在著一套精巧的調控機制協調相鄰葉器官間發育過程的互相作用，但其內在機理還有待于進一步研究。

禾本科植物出葉頻率、葉的存活周期及葉的衰老三者間具有動態的調控關系［10，41，65，66］。一旦新葉葉舌露出舊葉葉舌所形成的葉領，新葉葉片的生長即告停止，但葉鞘的生長會延續直至葉片完全成熟。因此，禾本科葉的生長過程中會先后存在3個細胞有絲分裂中心（即葉居間分生組織），分別是葉基部（葉原基形成至葉片伸長生長開始）、葉舌（葉舌出現至葉領成熟）及葉鞘（葉舌分裂停止至葉鞘生長完成）［40］。三者之間的位置轉換在時間上是緊密相接的，其中位于葉鞘的居間分生組織除自身定型外，和腋芽（分蘗）的形成也具有明顯的同步關系［31］。

3 葉形態發育動力學方程參數的分子生物學意義

從細胞尺度而言，多階段動力學方程的各參數均有明確的分子生物學含義，這是以多階段動力學方程描述禾本科植物葉形態發育過程的另一個重要意義所在。如前所述，葉發育指數期（（T0至T1）的主要事件是生長區的建成，包括分裂區及伸長區（即指數期1與指數期2），而線性期則是葉生長速率穩定的階段。從細胞尺度而言，指數期1的長短Ta及Ra的大小均與葉分裂區的細胞分裂能力有密切關系，而葉生長區細胞的伸長生長強度與指數期2長度Tb、Rb、線性期長度T2及R2聯系緊密，兩者共同參與葉生長區（L1）的建成。禾本科植物葉的形態發育主要通過其生長區長度、生長速度及出葉間期的變化來體現與維持，因此其背后的微觀機理則是葉生長區細胞分裂與細胞伸長生長參數的變化［7］，即葉分裂區的平均細胞周期決定了細胞產率，分裂區與伸長區細胞的伸長生長速率決定了葉的生長速度（LER）［2］。

3.1 葉分裂區細胞周期變化與葉形態發育多階段動力學方程參數Ra、T1、L1的分子生物學意義

禾本科植物葉分裂區的細胞周期在一定的環境脅迫下會發生變化，在宏觀尺度上即導致了動力學模型參數Ra、Ta、L1的相應改變。禾本科植物葉發育過程中的細胞周期調控模式可分為兩大類，其一為細胞周期的改變伴隨著明顯的細胞周期調控位點阻滯現象。這類檢查點阻滯現象主要有2種情況：1）為G1－S期占有優勢，其分子機制可能與CDK復合體（cyclin－dependent kinase complex）活性的磷酸化調控有關，通過調控細胞G1－S期的過渡位點影響DNA復制速率，從而改變細胞的有絲分裂進程。在植物葉發育過程中這種現象占據主要地位，如夜間低溫（晝夜溫度25／4℃ 對25／18℃）可使玉米葉片分裂區在晝間的細胞周期延長65%、細胞產率下降22%并影響相關細胞周期基因的表達，在成熟細胞尺寸不受影響的情況下葉片最終長度降低20%［20］。水分脅迫［67，68］、光脅迫［69］、缺氮［23］等也能導致類似的結果，這和脅迫條件下分裂區內大量細胞有絲分裂進程阻滯于G1期檢查點有關［70－72］；2）為細胞于 G2－M 期的阻滯位點占優勢，在葉生長過程中此現象很少出現［69，73，74］，因此可以說明G1－S事件是植物細胞分裂脅迫適應性的中心調控位點。其二為細胞周期的改變不存在明顯的位點阻滯現象，即分裂區細胞處于不同細胞周期的比例近似相等，此種情況在植物界中更加稀少［2］。在實驗中，采用不同手段如放射同位素示蹤［68，70］、秋水仙素處理［69］、流式細胞儀［20］等對同種材料進行測試，其結果之間的差距往往也很顯著，這顯然表明了現有實驗手段的局限性，說明對G1檢查點阻滯現象背后特征的進一步探索有待于日后新手段的進一步發展［2］。此外，這一現象不僅發現于禾本科植物葉片分裂區內的表皮細胞，在其他一些類似（組織細胞非同步分裂且細胞周期相近）結構的植物組織也有出現，如根尖、莖尖、雙子葉植物的葉表皮發育或與表皮相接的葉肉細胞等［2，66，72］。

關于G1檢查點調控過程的分子機理，已有一些證據表明CDC2基因編碼的蛋白激酶（protein kinase）p34cdc2活性與植物細胞周期的可塑性有密切關系［75，76］，如在玉米葉片分裂區中p34cdc2激酶活性的空間分布與以動力學方法擬合的細胞分裂速率分布幾乎一致，能夠有效代表分裂區長度、細胞有絲分裂速率分布及細胞分裂對環境水分、溫度的適應性［77］。葉生長時這類由基因驅動的表達調控相當快速，如小麥（Triticum aestivum）在中度水分脅迫（水勢－0.3kPa）處理1d后，分裂區葉肉細胞有絲分裂活性下降了42%［67］。有假說認為葉生長區脅迫適應性的分子信號通路是來自植株其他部分（如成熟葉、根）感受脅迫后誘導初級信號，并由質外體或共質體途徑特異性運輸至新出葉基部生長區的特定區域，促使CDC2激酶活性端酪氨酸殘基的磷酸化，使其轉變為抑制構型從而導致細胞有絲分裂速率的下降，因此G1－S事件是植物細胞分裂脅迫適應性的中心調控位點。這一假說能夠部分解釋小麥的水分脅迫現象［3，67］，但這類信號通路的具體細節如激素種類、相互作用、運輸途徑、誘導方式等仍有待于進一步的研究。

3.2 動力學參數T2、R2與葉發育過程中的伸長生長因子活性變化

從細胞尺度而言，葉生長區細胞的伸長生長強度與動力學方程參數Tb、Rb、T2、R2均有密切關系。從分子角度而言，植物細胞壁中木葡聚糖－纖維素微纖絲復合結構間的非共價相互作用是為細胞壁提供有效支撐及維持細胞形狀的主要作用力，是植物葉細胞生長的另一個主要調控位點［78，79］。在植物生長過程中，木葡聚糖內轉糖苷酶／水解酶（xyloglucan endotransglucosylase／hydrolase，XTH）及膨脹素（expansin）是植物細胞伸長生長過程中的兩大類關鍵酶，作用于細胞壁，重構細胞壁木葡聚糖－纖維素微纖絲復合結構間的非共價相互作用使其松弛，從而在原生質體膨壓參與下完成細胞的可控伸長生長過程［80］，并能夠響應激素或其他環境因素的調控作用，是目前研究較多的2個主要調控關鍵酶類。已有證據表明兩者均是葉生長區細胞的主要伸長生長因子，如在蓋氏虎尾草（Chloris gayana）中，200mmol／L的NaCl脅迫可使植株葉片生長區中的XTH酶活性中的木葡聚糖內轉糖苷酶（XET）活性顯著增加2倍以上，這顯然與鹽脅迫下葉生長速率的降低有密切關系［60］。生長素及細胞分裂素能夠通過轉錄后機制調控大豆β－膨脹素基因Cim1的轉錄水平，并促進其修飾及積累。在葉生長過程中有某種內在性機制“窗口”限定了膨脹素的效果，只有在此階段中，膨脹素基因的過量表達方可有效促進葉的生長。已有證據表明這個“窗口”的存在可能是高等植物葉生長的關鍵調控機制［81］。超量表達膨脹素編碼基因OsEXP4的水稻群體葉生長速率顯著提高，且在成年時絕大多數比對照至少多出2片葉，而反義表達群體則表現出植株矮化、開花期提前的特征，其苗期生長也與膨脹素水平有顯著關系，如胚芽鞘及中胚軸長度分別比對照增加了31%及97%，在對照中分別下降了28%及43%，并且其下降幅度與植物組織細胞大小的變化相當［82］。基因對這些酶類的調控很可能是葉生長可塑性的分子基礎。如對玉米在夜間低溫脅迫下細胞產率的下降與細胞周期抑制因子的差異表達及細胞分裂相關正調節因子的下調有關［20］。對玉米的4個作圖群體及相關導入系所進行的QTL分析表明，19個QTL位點均與玉米植株生長過程中的水分脅迫敏感性相關，具有復雜的多樣性［21］。

3.3 葉發育線性期與生長決定因子假說

在禾本科植物的葉發育線性期，葉生長區（L1）已經完全建成，此時葉的生長需同時依賴于分裂促進因子及伸長生長因子的兩者共同參與。在這個過程中究竟是葉生長區的細胞分裂活動對葉生長率的貢獻更大還是伸長區的細胞伸長生長對葉生長率的貢獻更大？近年來對此一直存在著2種相異的假說［29，83］。第一種觀點的主要依據是生長區內相對伸長生長速率（RGR）的分布呈典型的鐘形曲線，由此認為伸長區長度的大小是禾本科植物葉生長的主要組成部分，而分裂區的細胞分裂過程僅僅是提供伸長生長的“原料”，是葉生長過程中的次要現象；第二種觀點則認為細胞產率是葉生長的基礎，葉基部居間分生組織內細胞的分裂速率控制著葉生長的速率；若假設實驗中的脅迫處理及品種差異對葉表皮細胞的成熟長度無顯著影響，那么分裂區的細胞產率顯然會控制著細胞成熟速率，并與伸長區長度和葉成熟速率有著直接關系［29］。這2種假說在實驗中都具有一定的證據支持，如溫度響應［50］、鹽害［60］、刈割［48，62］等對葉生長的影響可以用前者解釋，而缺氮［84］、缺磷［71］的實驗結果則支持后者。雖然近年來葉發育的分子動力學模型已經得到了初步完善，但諸如信號通路與生長發育間的聯系、葉生長區中細胞分裂生長與伸長生長的協調模式等依舊有待于進一步研究［7］。

4 展望

禾本科植物葉形態發育的多階段動力學模型較為成功地從理論角度為禾本科植物研究指出了一條由宏觀尺度通向細胞尺度的道路。但至目前為止，由于現有實驗手段及研究領域的局限性，即使在細胞尺度上，禾本科植物葉生長區發育過程中許多事件的發生及調控機理仍然難以完全得到闡明，如：1）與葉生長可塑性相關的其他關鍵因子及調控通路；2）不同環境因素影響下葉生長可塑性響應調控機制的異同性，即葉發育過程中受不同類型的環境因素作用而導致同一種（類）發育動力學參數變化的背后（如刈割及鹽分脅迫均可導致葉生長速度變慢、葉生長區縮短），是否共用一套基因表達／調控途徑；3）葉形態發育過程中葉器官內及相鄰葉器官間同步關系背后的分子調控機制；4）葉形態發育過程中葉生長區內同化物分配調控的精確動力學模型與其內在機制等。隨著一些主要禾本科作物逐漸進入后基因組時代，今后一段時間植物動力學模型的研究必然會逐漸走向由細胞尺度向分子尺度發展的局面，這一領域中存在的諸多問題仍有待于新實驗方法及輔助手段的出現。

其次，至目前為止，國外對于葉發育動力學的相關研究工作依舊大多局限于玉米、小麥等少數經典禾本科作物與極少數禾草（高羊茅、黑麥草等）的生理發育過程，葉形態發育的動力學分析方法尚未系統出現于國內外草地科學的相關研究工作中。在牧草植株中，葉是家畜采食和牧草收獲的主要部分，也是光合作用的最主要器官，它為牧草的生長奠定了必要的基礎。毫無疑問，葉形態發育的動力學模型在今后單子葉牧草及草坪草葉片生長特性的相關研究工作中同樣具有較大的發展前景，如從形態學尺度探究禾草葉片刈割再生過程中的超補償現象［85］?？梢灶A見的是，繼小麥、玉米等經典禾本科作物之后，具有廣闊前景及巨大實際意義的草業科學將是今后葉形態發育動力學建模思想另一個極具潛力的應用領域。

迄今為止，禾本科植物葉形態發育的動力學建模思想至今已發展為一種重要的形態學研究手段及研究植物器官生長、細胞發育過程及環境適應性等方面的一種重要輔助方法，但仍有不少疑問有待于進一步探究。研究葉動力學模型背后逐漸涌現出的這些新的疑問，并將其應用對象擴展至草地科學領域，無疑有助于推動分子生物學領域及生理學、形態學領域的新發展，對研究者們認識植物形態發育背后的決定機理有著一定的促進作用。

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