Ranunculus flowers produce numerous carpels via evolutionarily rewiring of the canonical AGAMOUS-WUSCHEL developmental module
这项研究揭示了在嚏瓣毛茛（*Ranunculus sceleratus*）中，基因重复和顺式作用元件的进化重构了经典的 AGAMOUS-WUSCHEL 发育模块，使 AG 从 WUSCHEL 的抑制因子转变为激活因子，从而驱动大量心皮的产生。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
大多数花朵都是以一种精确且重复的节奏构建而成的。它们始于茎尖一个微小的、呈圆顶状的细胞簇，被称为花分生组织。这个细胞簇就像一个建筑工地，按特定顺序生产出花的部分：首先是外层的保护性叶片，然后是色彩鲜艳的花瓣，接着是雄性的雄蕊，最后是位于最中心的雌性心皮。在绝大多数开花植物中，一旦雌性部分开始形成，这个建筑工地就会立即关闭。其结果是，一朵花拥有许多雄性部分，但只有极少数雌性部分，这种模式已经延续了数百万年。科学家们早已了解到，一个涉及维持建筑工地运行的蛋白质和另一个告知其停止运行的蛋白质的特定遗传开关，控制着这一时机。当停止信号到达时，该部位会变平，此后便无法再添加新的部分。
但大自然偶尔也会打破规则。在某些植物中，建筑工地拒绝关闭。它不会在形成几个雌性部分后就停止，而是继续生长，不断产生数十个甚至数百个心皮。这使得花朵看起来像是一个密集的、毛茸茸的圆锥体，而不是典型的花朵。长期以来，研究人员并不清楚这些植物是如何在其他植物关闭建筑工地时仍能保持其开放状态的。这究竟是遗传代码中的一个简单错误，还是指令说明书的一次更复杂的重构？一项针对毛茛科植物（特别是研究一种名为 Ranunculus sceleratus 的物种）的新研究终于揭示了答案。研究人员发现，这种植物不仅打破了停止信号，它还完全重构了遗传机制，将停止信号转变为启动信号，从而使其能够产生异常数量的雌性部分。
研究人员首先将产生超过150个心皮的 Ranunculus sceleratus 与产生仅约5个心皮的近亲 Nigella damascena 进行了比较。通过使用一种可以实时观察活细胞分裂和扩张的技术，他们观察到了显著的差异。在心皮较少的植物中，花尖处的细胞一旦雌性部分出现就会停止分裂和扩张，导致建筑工地变平并关闭。而在心피较多的植物中，即使在第一个雌性部分形成后，细胞仍会剧烈地进行分裂和扩张。这种持续的活动使建筑工地保持圆顶状且宽敞，为数百个新心皮的发育提供了空间。研究表明，高心皮花朵中的细胞不仅分裂得更频繁，而且长得更大，创造了更大的表面积来容纳额外的器官。
为了理解细胞为何持续生长，团队研究了负责管理建筑工地的基因。在大多数植物中，一个名为 WUS 的基因充当维持该部位活跃的引擎，而一个名为 AG 的基因充当刹车，在雌性部分准备就绪时关闭 WUS。在心皮较少的植物中，刹车工作完美：一旦雌性部分开始，AG 基因就会沉默 WUS 基因，建筑停止。然而，在心皮较多的植物中，研究人员发现该植物拥有两个 WUS 基因副本而非一个，这是由于一次古代的基因重复事件造成的。更重要的是，这些基因的行为发生了变化。其中一个基因副本继续在花中心工作，保持该部位开放；而另一个副本则将其活动转移到了花的雄性部分，即雄蕊。
最令人惊讶的发现是刹车基因 AG 如何与这些新的 WUS 基因副本相互作用。在正常植物中，AG 会抑制 WUS。但在这种毛茛中，AG 基因实际上激活了一个 WUS 副本。这意味着，雄性部分的出现不再是关闭建筑工地，而是向该部位发出了继续工作的信号。研究人员将这一变化追溯到基因起始前的 DNA 序列。在这些植物的祖先中，该区域并不具备 AG 蛋白的特定结合位点。但在导致这种高心皮毛茛的谱系中，该区域出现了两个新的结合位点。这些新位点使得 AG 蛋白能够附着在基因上并将其开启，而不是将其关闭。这一单一的变化将这两个基因之间的关系从停止信号反转成了启动信号。
这项研究证实，这种重构是该花朵独特形状的关键。当研究人员在这一高心皮植物中沉默 AG 基因时，它产生的心皮数量减少，变得更小，类似于其低心皮的近亲。当他们沉默 WUS 基因时，建筑工地完全坍塌，花朵无法正常发育。证据表明，这种植物的进化并不需要对其遗传系统进行彻底的改造。相反，仅仅是基因的一次简单重复，加上在其 DNA 中增加两个微小的结合位点，就足以重构一个基本的发育循环。这使得该花朵能够忽略通常的时机信号，并在其余植物停止生长后继续构建雌性部分。
这一发现提供了一个清晰的案例，展示了复杂的复杂新性状是如何通过遗传代码中微小且特定的变化而产生的。它表明，我们在自然界中看到的各种花朵形态的差异，不仅仅是随机突变的结果，往往是由于对控制生长的开关进行了精确的进化微调。通过将停止信号转变为启动信号，这种毛茛成功创造了一种既罕见又高度专业化的花朵结构。这项研究强调，支配植物构建其身体的规则是具有灵活性的，DNA 序列中仅仅多出的几个字母，就能导致生物最终形态的巨大转变。
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