大家好，今天给大家分享的是一篇发表在science上关于花椰菜中分形结构形成机制的文章。
文章题目： Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks（花椰菜分形形式源于花基因网络的扰动）
期刊：Science
影响因子：IF = 47.728; 中科大类: 综合性期刊 1区; 中科小类: 综合性期刊 1区; JCR分区: Q1
发文单位：法国里昂大学、格勒诺布尔大学和西班牙生物分子研究所等总计8家单位
文章作者：法国里昂大学Eugenio Azpeitia为第一作者，里昂大学Christophe Godin 和格勒诺布尔大学Francois Parcy 为通讯作者
背景：花菜形状千千万，为何你是那么独特？
罗马花椰菜（Romanesco cauliflower），外形酷似罗马建筑，俗称青宝塔，是一种十字花科芸薹属甘蓝种一二年生草本植物，可食用，16世纪发现于意大利。罗马花椰菜花球表面由许多螺旋形的小花所组成，小花以花球中心为对称轴成对排列。它的神奇在于其规则和独特的外形，已经成为著名的分形几何模型。它以一种特定的指数式螺旋结构生长，而且所有部位都是相似体，这与分形几何中不规则碎片形所包含的简单数学原理相似1。它的形态为什么会这样，吸引了无数的数学家和生物学家的兴趣。发表在7月10日的《科学》杂志上的一篇重磅论文中，8家单位的生物学家和数学家联合破解了它们“分形”形状背后的数学原理，这一新研究揭示了花椰菜中分形图案的细胞基础，开花不成使这些植物在分形中生长。
图片来源于https://royalseeds.it/prodotti/professionali/cavolfiore/
摘要：植物在整个发育过程中，植物分生组织有规律的产生呈螺旋形、对生或轮形的器官。花椰菜呈现出一种不寻常的器官排列，其中有许多螺旋状鳞片。 像这样分形的、自相似的组织是如何产生的仍然是个谜。将拟南芥花椰菜样突变体的实验分析与建模相结合，发现凝乳自相似性的产生是因为分生组织未能形成花朵，但将它们短暂通过的“记忆”保持在花朵状态。影响分生组织生长的其他突变可以诱导类似分形罗马式建筑的锥形结构的产生。这项研究揭示了分形形式如何从花卉发育程序和生长动态的关键、明确的扰动的组合中出现。
主要结果：
1. 植物花序上的叶序螺旋
植物的茎尖分生组织（SAMs）相当于一个干细胞池，可以产生叶子、嫩枝或花等器官。茎上器官的排列称为叶序。具有螺旋叶序的植物通常形成两个器官螺旋（图1A-C）。这两个系列的螺旋线转向相反的方向，形成两个连续的斐波那契数列（图1A）。（注：斐波那契数列指的是这样一个数列： 0、1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89……这个数列从第3项开始，每一项都等于前两项之和）。在花椰菜中，在一个鳞片上或者在几个鳞片上都可以看到螺旋状结构（图1，D-F）。这种自相似的组织结构在罗马花椰菜品种中达到了顶点，在该品种中，螺旋形因其在所有尺度上的锥形而呈现浮雕状，这一几何特征赋予整个凝乳明显的分形状外观（图1G）。花椰菜是由卷心菜驯化来的，花椰菜的花序呈凝乳状，因为每一个新出现的花原基发育到到成熟阶段，而是产生更多的凝乳状花序。花椰菜类似结构也存在于模式植物拟南芥中，是由APETALA1（AP1）和cauliflower（CAL）的双突变引起的（图1，H和I），这两个同源基因编码促进花发育的MADS盒转录因子（TFs）。
图1. 植物花序上的叶序螺旋。(A)雏菊头状花序。特写中显示了两个螺旋（13 个蓝色螺旋和 21 个红色）。(B) 大丽花复合花。(C)姜花序。(D-F)B. oleracea var. Botrytis 花椰菜与八个逆时针 [(E);棕色]和五个顺时针[(F);青色]主螺旋。线矩形显示嵌套在多个尺度上的螺旋系列。(G-I) 罗马花椰菜 (G)、野生型拟南芥花序 (H) 和 ap1 cal curd (I)。(J) 主要花卉调节剂之间的相互作用；箭头表示激活，横线表示抑制。
2. 花椰菜凝乳的遗传基础
在拟南芥中，花是由TF-LEAFY（LFY）启动的（图1J），LFY由co1（SOC1）和AGAMOUS-LIKE 24（AGL24）MADS-box蛋白的抑制过度表达而上调的，LFY在花原基中特异表达。为了完善该网络，作者寻找除LFY以外的TFL1的直接正调控因子，为了寻找直接的调节因子，作者检测了SOC1和AGL24，它们作用于长日照（LD）途径中CONSTANS（CO）和FLOWERING LOCUS T（FT）的下游。功能丧失和功能获得实验表明，SOC1和AGL24均诱导TFL1（图2，A至I）和染色质免疫沉淀（ChIP）显示，这两种TFs结合到调节其在SAM中表达的TFL1区域（20）（图2，J-L）。在瞬态分析中,这些区域足以激活SOC1和AGL24构建的TFL1报告子，证实两个MADS-box TFs都是TFL1的直接调节子（图2，M和N）。
图2. AGL24和SOC1是TFL1的直接正调节器。(A-C) TFL1p:GUS在WT (A)、soc1-2 (B) 和agl24-2 (C) 花序顶点中的活性。(D-I) WT [(D)-(F)] 和 35Sp:SOC1 [(G)-(I)] 植物顶点 [(D)和(G)]中的TFL1p:GUS活性（蓝色信号）和开花 [(E)、(F)、(H) 和 (I)] 阶段。(F)-(I) 是开花枝条的纵切面。箭头标记 SAM。（J-L）TFL1 基因座的结构，在十字花科中保守的区域（粉红色线）、调控区（蓝色框 I 到 V）和 ChIP 中使用的片段（黑色线 1 到 6）。在表达 AGL24 标记版本 [(K),白色] 或野生SOC1 蛋白[(L),白色]或对照植物[(K)和(L),灰条]表明AGL24结合区域IV[(K), 片段4和5]和SOC1区域V[(L)，片段6]。(M和N) 瞬时检测显示荧光素酶 (LUC) 报告基因的反式激活由区域IV(由 35Sp:AGL24 激活)和区域V(由 35Sp:SOC1激活)驱动。NGA3是用作阴性对照。
3. SALT网络构建与分析
XAL2是SOC1和AGL24的同系物，结合并诱导TFL1，作者将SOC1、AGL24和XAL2的活性聚合到作为TFL1正调节因子的SAX中，并且创建了SALT网络（包括SAX, AP1/CAL, LFY和TFL1 ），四个关键基因的首字母分别为 “S”, “A”, “L”, “T”（图3A）。SALT网络的稳定状态对野生型营养生长部分（低SALT）、花序（高TFL1/SAX、低AP1/CAL/LFY）和花（低TFL1/SAX、高AP1/CAL/LFY）分生组织中观察到的基因表达模式作出反应，在一定的F阈值以上，网络产生的花或花序状态取决于F和生长素的值。模拟tfl1、lfy、ap1 cal突变体产生的预期结果与实验报告的基因表达一致（图3、B和C）。模拟的基因表达动力学阐明了野生型和花椰菜分生组织之间的根本区别：在野生型花原基中，F诱导SAX，SAX和生长素诱导LFY，LFY与F共同诱导AP1/CAL，AP1正向反馈LFY并抑制SAX（图3D）。作者对一个SOC1-GFP报告基因株系进行分析，确实观察到其在双突变体ap1 cal中的表达域与WT相比有所扩展（图3，E和F）。总之SALT网络重演了驱动分生组织命运的真实基因表达情况。
图3. SALT GRN（gene-regulatory network）模型及实验验证。 (A)SALT GRN网络结构。(B)SAX、AP1/CAL、LFY和TFL1在WT和ap1 cal突变体的SAM和侧原基中的已知表达模式。问号表示模型的预测表达模式。(C)在SAM（低生长素）和侧分生组织（高生长素）中不同F值下模型的WT、tfl1、ap1 cal和lfy稳态。预测的野生型和所有突变体分生组织的遗传特性与实验观察到的表型一致。(D)高F值侧原基基因表达的时间模拟。(E和F) SOC1:GFP（白色/浅蓝色信号）报告基因在WT(E)和ap1-7 cal-1突变体(F)花序中的表达。
4. 拟南芥花椰菜结构的多尺度模型
为了模拟在这项工作中研究的GRN与植物结构发展之间的相互作用，作者建立了一个器官和分枝系统发展的模型，并将这个发展模型与前面提出的GRN模型耦合起来。植物3D模型由四种类型的器官组成，这些器官塑造了植物的地上结构：分生组织、节间、叶和花（图4A）。在这个模型中，为了与野生型植物的结构相匹配，不确定的分生组织在2级以上保持静止，这与顶端优势影响有关。该模型还包含描述器官生长动态的规则（节间和叶片伸长、花生长、器官产量和生长起始延迟）。模拟植物从单个SAM开始，根据GRN、形态动力学规则和F的输入值不断重复产生新的器官（动态模拟可以看原文链接中的视频）。通过调整GRN和形态动力学在合理值范围内的参数，作者成功地校准了模型，为WT和lfy植物以及tfl1突变体和sax突变体的非开花表型，并且产生了逼真的结构（图4，B到D）。同时作者发现花椰菜螺旋中出现的锥形是通过驯化获得几何变化异（图1F），这似乎与形态动力学参数的变化有关。在模型中，作者通过减少第一个叶原基的形成与第二个叶原基的形成之间的间隔期足以产生罗马花椰菜形状（图4G），而这个参数的恒定值产生花椰菜形态（图4F）。
图4. 基于GRN的植物发育模型的模拟与评价。(A)拟南芥发育多尺度模型的示意图。每个分生组织状态由信号水平（生长素，F）和GRN稳态组成。在时间t，植物由一系列器官组成（左）。在时间t+Δt（右），模型更新每个分生组织中的信号水平和GRN状态。稳态定义了用于计算分生组织侧向产量的分生组织（营养体、花序或花）的特性。绿色数字表示分生组织的顺序。(B-E）在WT（B）、lfy（C）、tfl1（D）和ap1 cal（E）模拟中获得的植物形态。(F-I）在简化模型[（F）和（G）]和拟南芥模型[（H）和（I）]中以恒定[（F）和（H）]或增加[（G）和（I）]分生组织产生速率模拟形态。(J-O)拟南芥ap1 cal、拟南芥ap1 cal clv3和罗马花椰菜结构的光显微照片[（J）、（L）和（N）]和SEM[（K）、（M）和（O）]。未导入的AP1:GR转基因存在于植物（J）到（M）中。
作者通过这些结果揭示了植物分形模式是如何通过生长发育网络产生的，这些网络改变了植物和分生组织的动力学。这些数据、GRN和生长模型澄清了分子和形态随时间的变化，通过这些变化，分生组织分化成不同组织，形成了在自然界和作物中发现的高度多样化和迷人的植物结构。
文中所有图片均来自Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks
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文章链接地址：https://science.sciencemag.org/content/373/6551/192.full
参考文献：
1.百度百科
2.Eugenio Azpeitia et al. Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks. Science 373 (6551), 192-197. DOI: 10.1126/science.abg5999
