叶片的扁平形态是植物进化史上关键的创新之一，也是作物高效光合作用的发育基础。作为植物主要的光合同化器官，叶片通过将生长限制在基–顶轴和中–边轴两个轴向界定的平面，同时严格抑制厚度方向（近–远轴，又称背–腹轴）的扩展，最大化了受光面积并优化了气体交换效率。这种看似简单的几何形状，实则依赖于近–远轴极性建立、细胞增殖调控、细胞分裂定向及组织生长协调的复杂动态平衡。一旦该过程失调，不仅会导致叶片卷曲、波浪状或穹顶状畸形，直接影响植物的光能截获率，还会波及株型结构与最终产量。因此，解析叶片扁平化发育的调控机制，不仅是植物发育生物学的核心科学问题，更是作物株型设计与分子育种的重要理论源头。

2026年6月22日，北京大学、北大-清华生命科学联合中心焦雨铃团队与美国康奈尔大学Adrienne Roeder团队合作，在《当代生物学》（Current Biology）发表了题为“How to grow a flat leaf”的长篇综述，从多个尺度的视角出发，系统梳理了近二十年来该领域的研究进展。

该综述整合了跨学科的最新成果，构建了一个从基因到力学的统一框架。文章详细阐述了背腹极性基因（HD-ZIPIII、KANADI等）的相互制衡、生长素–WOX模块介导的中域建立，以及微管–细胞壁力学反馈的定向生长控制这三个核心层级。综述创新性地提出了“面积冲突、方向冲突、表面冲突”三类生长不协调模型，并结合高斯曲率与φ/λ平坦度评分等定量指标，实现了对叶片形态从宏观到微观的精准描述。研究不仅对比拟南芥、玉米及豌豆等物种的保守机制进行了系统分析，还解析了食虫植物、多肉植物等非扁平叶片如何通过修饰核心网络实现形态进化的创新路径。

叶片扁平化的多个层面

综述提出，叶片扁平化研究正经历从单纯罗列“基因清单”向“机制整合”的范式转变。活体成像、单细胞转录组与计算模拟的融合，使研究者能够在细胞与组织尺度动态追踪生长速率、力学参数与基因表达的耦合关系，从而揭示形态发生的物理本质。这项工作不仅深化了对植物形态建成的基础认知，也为作物株型设计开辟了新思路——通过操控WOX、TCP等核心因子的表达以调控叶片力学特性，有望培育出光合效率更高、适应性更强的新叶形和新品种。

邮箱：

yuling.jiao@pku.edu.cn

实验室主页：

https://www.bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont_jl/16/8.html

研究领域：

本课题组致力于解析植物发育过程中的形态建成，并探索合成生物技术的应用。具体研究包括：

1. 形态的涌现
我们对基因、蛋白等分子机器的认识相对深入，但对它们如何组合与协调，进而形成组织与器官却所知有限。三维形态的建成不仅塑造了自然界的多样性，也是器官行使功能的基础。大量简单个体通过局部互动，能在系统层面涌现出全新的性质或模式。我们融合数学建模、人工智能与定量实验，旨在阐释基因与蛋白的“涌现”现象如何决定植物茎叶的形态，并最终实现器官形态的设计与定制。

2. 植物合成生物技术
随着对生命过程理解的加深，我们已能够在局部改造生物体系。我们在植物中挖掘可改造的部件与通路，发展新型合成生物技术。一方面，聚焦植物基因组与染色体改造，建立合成基因组技术，通过基因组重构开发颠覆性的基因工程底盘技术；另一方面，探索以植物为对象重构信号通路、合成医药与工业产品，推动植物底盘的工程化应用。

研究兴趣：

生命系统中仍存在大量未解之谜，其核心在于生物作为复杂体系所表现出的诸多亟待阐释的涌现现象。相较于单纯挖掘新功能基因，本实验室在植物中解析未知过程的建立机制。以下是一些我们的研究发现：

1. 茎尖Sussex信号：茎尖通过生长素极性运输产生 Sussex 信号 (Qi et al., 2014 PNAS)，从而调控叶片扁平化 (Guan et al., 2017 Curr. Biol.; Wang et al., 2022 PNAS; Guan et al., 2022 Sci. Adv.)。

2. 叶片扁平化的力学调控：叶片首先通过背–腹轴细胞壁差异建立初始扁平态 (Peng et al., 2022 Curr. Biol.)，再经微管介导的应力反馈放大该扁平形态 (Zhao et al., 2020 Curr. Biol.)。

3. 分枝起源：植物分枝起源于茎尖分生组织中未彻底分化的细胞 (Shi et al., 2016 PLoS Genet.; Cao et al., 2020 Curr. Biol.)。

4. 单细胞再生：原生质体中基因表达的紊乱，部分细胞激活干细胞基因并再生 (Xu et al., 2021 Sci. Adv.)。

5. 细胞壁-膜连接：硼通过锚定细胞壁与细胞膜形成郝氏丝 (Hechtian strands)，进而稳定 PIN 等膜蛋白 (He et al., 2026 Cell)。

6. 合成基因组学：植物染色体片段可以人工合成与构建 (Chen et al., 2024 Nat. Plants)。