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空心莖是植物典型的趨同演化性狀，多類群獨立起源、分布廣泛，演化歷史至少可追溯至3.3億年前。近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心對空心莖形成機制開展研究。科研團隊以空心菜為研究對象，探討植物空心莖的形成機制。形態解剖發現，空心菜的節間是中空的，節部是實心的。莖尖頂部組織是實心的，由分生組織和中央的髓部組成，空腔在分生組織下方的髓部逐漸形成。連續X射線掃描顯示，莖尖的第一個節間是實心的，但隨著生長發育，其基部逐漸形成一個空腔，并不斷擴大，最終發育成完整的節和中空的節間結構。經精細解剖、組織化學染色和轉錄組分析證實，細胞程序性死亡參與空心菜莖尖空腔形成。研究進一步對空心菜莖尖的空腔形成過程開展分析。結果表明，乙烯和活性氧可能通過激活轉錄因子驅動并調控該過程，這些轉錄因子啟動細胞程序性死亡、衰老和自噬過程，導致髓細胞死亡。該發現通過空心菜乙烯和活性氧試劑處理及煙草瞬時表達實驗得到驗證。研究還發現空心菜的莖空心機制可能具有一定保守性。乙烯信號激活下游轉錄因子，進而誘導細胞程序性死亡、衰老及自噬等生物學過程，可能同樣存在于木賊、毛竹、蠶豆中，印證了這一調控網絡在不同植物中的保守性。這項研究幫助我們理解植物如何適應環境并形成特殊結構，還為農業生產提供了新思路。相關研究成果發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國家自然科學基金等的支持。論文鏈接空心菜莖空心形成模式圖