如果細心觀察過植物的葉片，你應該可以輕易分辨出葉片的正反兩面：葉片的向陽面（也叫近軸面，即朝向莖的那一面）比較光滑，有比較厚的蠟質層，并且顏色更翠綠一些；而相對的，向地面（遠軸面）就要粗糙一些，角質層也薄一些。
這些特點是植物針對自己的生存和生理功能演化出的特征，對于植物的光合作用及蒸騰作用來說很有好處。葉片近軸面主要的功能是吸收陽光中的能量，進行光反應，因此葉肉細胞擁有比較多的葉綠素，相對來說，葉片的遠軸面就沒有那么多的葉綠素了，顏色自然要淡一些。事實上，陽光本身能促進葉綠素的合成，在陽光不足的地方生長的植物就會因為缺乏葉綠素而變得黃黃的。葉片的向地面主要進行光合所需的氣體交換，因此葉片背面分布的防止水分散失的角質層自然也薄一些。此外，葉片的正面擁有比較多的葉毛，尤其是在葉片還比較小的時期葉毛相對來說非常豐富，而葉片的反面則相對光滑，葉毛的密度很低——這也是一個很有意思的現(xiàn)象?，F(xiàn)在的觀點認為這些毛茸茸的結構，包括可以分泌次生代謝物的腺毛，可以保護包含在葉片中間柔嫩的莖頂端分生組織。
那么，如此重要的葉片近-遠軸極性是怎么產生的呢？就這一問題，我們在2014年12月30日的《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上發(fā)表了一篇研究論文。 在該研究中，我們揭示了生長素這一最早被了解的植物激素，在葉片正反面形成過程中的作用。葉片原基背腹面存在生長素濃度差異，而這一差異是導致葉片背腹面分化的主要原因之一。簡而言之就是遠軸面是“宿命”，而近軸面的形成需要相對較低的生長素濃度。
還是首先讓我們從葉片的形成過程開始進一步了解葉片背腹面的分化過程：葉片都是由莖尖的分生組織產生的——分生組織是一團有組織的干細胞，能夠不斷產生新的器官，而葉片就是一個典型的植物器官；葉片在剛剛從莖尖分生組織分離開的時候并沒有明顯的近-遠軸差異，就是一個小圓包；但很快，葉片的不同區(qū)域生長速度出現(xiàn)了不同，遠軸面長得快，近軸面長得慢，葉片向莖尖彎曲；同時，伴隨著近-遠軸的不對稱發(fā)育，葉片沿著中-邊軸向伸展，形成扁平的葉片。層層包被的卷心菜、大白菜中包裹在一起的葉片尚未展開，形成的結構就是這種發(fā)育模式導致的后果。
既然葉片的近-遠軸極性是在葉片剛剛形成時獲得的，那么這個信息是怎么來的呢？一個經典的實驗提出了解釋：極性發(fā)育的信息來自于莖尖的干細胞。上世紀四五十年代，曼徹斯特大學的一名研究生依安·薩塞克斯（Ian Sussex）開始關心不同植物莖尖與葉片直接的關系。他選擇了土豆作為實驗材料，因為土豆不僅容易買到，而且土豆不斷生芽，可以方便地削下帶著芽的土豆塊，修成合適的角度放在顯微鏡下觀察。他用手術刀把即將發(fā)生的葉片原基和莖尖輕輕劃開一個切口，但是讓葉片的其它部位與整體相連：
幾天后，他發(fā)現(xiàn)這些在近軸面與莖尖分開的葉片很多無法進行正常的近-遠軸極性發(fā)育。更為顯著的是，近-遠軸極性發(fā)育異常導致葉片無法側向展開，最終得到的是棒狀的葉片，而且葉片各個方向都和遠軸面相似。也有些葉片成為“喇叭葉”。這些喇叭葉的頂端像喇叭一樣是圓錐形的，喇叭口以下和棒狀葉類似，沒有極性。薩塞克斯由此推測：莖尖的干細胞產生一個信號，指導葉片近軸面形成。當手術切割阻斷這個信號的時候，默認的遠軸面發(fā)育程序啟動，導致葉片只有遠軸面發(fā)育。這個實驗被寫入了發(fā)育生物學的教科書，而這個信號就被稱為了Sussex信號。
Sussex信號似乎很好地解釋了極性的來源，可是對于它到底是由什么物質介導的，甚至它是否存在，一直眾說紛紜。分子遺傳學研究使我們知道了很多編碼蛋白和小RNA的基因都存在近-遠軸差異分布，但是卻沒能為Sussex信號提供新的線索。沉寂了近半個世紀后，許智宏先生課題組在上世紀末的一項研究為這個領域帶來了一縷曙光。許先生在組織培養(yǎng)的白菜、煙草等多種植物中都發(fā)現(xiàn)，加入了生長素（Auxin）的運輸抑制劑能夠誘發(fā)喇叭葉和棒狀葉產生。這說明生長素和它的運輸與葉片極性發(fā)育有關。
生長素是最早被發(fā)現(xiàn)的植物激素。達爾文和他的兒子在19世紀末就意識到了一種能夠調控植物向光性的激素存在，上世紀中科學家分離到了這種激素，并鑒定出它的化學結構為3-吲哚乙酸（Indole-3-Acetic Acid，IAA）。這種小分子可以由賴氨酸（一種氨基酸）合成得到，雖然對人和其他動物沒有什么作用，卻對各種植物的發(fā)育至關重要：根生長、維管束分化、頂端優(yōu)勢、單性花形成、向光性和向地性都是它的體現(xiàn)。生長素在植物體內的分布很大程度上取決于定向運輸，而定向運輸依賴與于一類稱為PIN的蛋白。
我們最新的研究結果表明，正是PIN蛋白介導的生長素運輸產生了葉片極性發(fā)育信號，信號的化學本質就是生長素。薩塞克斯根據(jù)手術實驗得到的推論是正確的，然后也有錯誤的地方。信號分子（生長素）不是由莖尖干細胞向葉片的近軸面擴散，而是通過主動運輸從葉片運向莖尖干細胞。如此看來，薩塞克斯的猜測把方向弄反了。近軸面不是由于積累了生長素，而是由于生長素含量低，而導致近軸面發(fā)育的。如果提高了近軸面的生長素含量，近軸面就會發(fā)育成為遠軸面，從而形成喇叭葉或者棒狀葉——和薩塞克斯實驗一樣的結果！生長素的近-遠軸差異非常短暫，葉片發(fā)生幾天后就會消失，而正是在這幾天內，近-遠軸分化完成。運向莖尖干細胞的生長素不僅導致了近軸面低生長素區(qū)域的建立，也被莖尖干細胞用來起始后續(xù)葉片的發(fā)生。葉片的發(fā)生伴隨著生成素高點的依次形成。
到此為止，事情似乎就已經很圓滿了：莖尖的干細胞不斷出現(xiàn)生長素的高點，每個高點處產生一片葉；葉片發(fā)生后，生長素從近軸面運輸回到莖尖，一方面導致近軸面生長素含量低于遠軸面，導致近軸面發(fā)育，一方面供莖尖干細胞產生下一片葉片。
然而，分子遺傳學的研究告訴我們，實際上植物中的近-遠軸調控要更為復雜；而以往的分子遺傳學研究也確實找出了不少在近-遠軸分化中起到重要作用的調控因子。如果將一個植物體比作一輛汽車，植物體內的基因就是一個個汽車零件。 當汽車的某個零件被卸掉之后，汽車無法轉向，就可以得出結論該零件為汽車轉向所必須。而分子遺傳學研究正是通過類似的方法來找出植物特定發(fā)育過程中的必須“零件”——當一些基因通過隨機誘變的方法被“卸掉”，如果出現(xiàn)葉片極性發(fā)育的問題，比如植物長出喇叭葉，就說明被卸掉的基因在葉片極性發(fā)育過程中起作用。如果我們再能夠往回追溯找出是哪個基因被“卸掉”，那么我們就知道這個基因能夠調控葉片極性發(fā)育。
一批這樣的基因就通過分子遺傳學的辦法被發(fā)現(xiàn)了，其中很多基因編碼轉錄因子。轉錄因子調控其它基因的轉錄，就像軍隊里大大小小的指揮官，控制著或多或少的下游基因。這些轉錄因子有些在近軸面特異表達，有些在遠軸面特異表達。它們在自己表達的區(qū)域號令下游的基因軍團，最終形成了近-遠軸截然不同的發(fā)育模式和生理功能。
也有些基因直接或間接地影響特定的小RNA (microRNA, miRNA 和一種特殊的trans-acting short interfering RNA, tasiRNA) 。這些小RNA是植物自身基因組編碼表達的，它們的出現(xiàn)比較偶然，比如miRNA最初可能來源于基因內部核苷酸突變導致的反向轉錄，但在漫長的進化過程中這些miRNA已經被整合到植物的發(fā)育程序中，像許許多多的轉錄調控因子一樣，成為植物發(fā)育網(wǎng)絡中不可或缺的樞紐。小RNA能夠直接作用于序列互補結合其它基因從而抑制這些靶基因的轉錄、翻譯或是促進靶基因的降解。葉片發(fā)育過程中，在近-遠軸面分別表達不同的小RNA，作用于編碼轉錄因子的基因，以使這些靶基因只能在葉片的一側分布。
有一些轉錄因子在葉片近-遠軸的極性分布出現(xiàn)得很早，從時間上來看似乎不晚于生長素的極性分布，因而這類調控因子可能并不受生長素的影響。如此看來，也許有兩套平行的葉片調控機制在共同起作用。這些轉錄因子和小RNA間又存在著復雜的相互調控和牽制，盤根錯節(jié)，它們和生長素在小小的葉片原基中糾纏在了一起。
那么，自然為什么要選擇這么復雜的調控方式呢？對這些基因調控網(wǎng)絡的數(shù)學建模和模擬顯示，復雜的調控更為穩(wěn)定，而不容易受到環(huán)境條件輕微變化和植物內單個信號通路突變的影響，一種方式失敗了，另一種方式可以非常迅速地彌補上來。葉片兩面不同的發(fā)育也許同樣需要多種方式來調控，而這些多種方式的共存并立使得葉片的兩面發(fā)育更穩(wěn)定。否則，也許我們會頻繁看到不正常的葉片出現(xiàn)，而這樣的植物由于光合效率受累也容易出現(xiàn)其它的發(fā)育問題。至于這些通路之間到底存在著怎樣一種和諧而對立的關系，什么機制保障了它們之間有序有效的協(xié)作，還有待分子遺傳學研究帶給我們進一步的答案。（編輯：老貓）
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