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“害羞女孩”揭示植物性别演化的奥秘 精选

已有 5180 次阅读 2018-5-13 20:31 |个人分类:文献解读|系统分类:科研笔记| 植物, 性别分化

对我们人类来说,性别分为男和女是再正常不过的事了。可是对植物而言,绝大多是都是雌雄同株,雌雄异株算是不多见的异类了。

所谓雌雄同株,是指一株植物的花既有雌蕊也有雄蕊。这又分两种:一种是雌蕊与雄蕊在两种(朵)花上,这种叫单性花,比如玉米;另一种是雌蕊与雄蕊在一朵花上,这叫两性花,比如桃花。而雌雄异株是指在具有单性花的种子植物中,雌花与雄花分别生长在不同的植株上。仅有雌花的植株称为雌株,仅有雄花的称为雄株。和我们人类一样,雌雄异株植物的性别决定方式也是XY型。

实际上,一般认为,植物的雌雄异株走进了进化的死胡同,对植物是非常不利的,因为它极大地降低了植物繁殖后代的机会。

我们人类和动物都是可以随意移动的,即使远隔万里,也能演绎出感天动地的故事,结出爱情的果实,一代一代生生不息。而植物却不能自由移动,一旦在一个地方生根发芽,基本上就要在这里安营扎寨一辈子了。

虽然赵忠祥那具有磁性的声音一遍一遍地低吟:春天到了,万物复苏了,这是个交配的季节。可是,对于雌雄异株的植物来说,他们的心里可能早已跑过了无数只草泥马,因为他们的身边可能恰巧没有异性,而他们主动求偶的能力又十分有限,只能眼睁睁地看着身边的动物和雌雄同株的植物产出爱的结晶,心中生出无数的羡慕嫉妒恨。也别无他法,只能一边泪流满面,一边浅吟低唱:我住长江头,君住长江尾。日日思君不见君,共饮长江水聊以自慰了。一年又一年,春去秋又来,直到孤老终生。

雌雄异株植物传宗接代的历程是坎坷的。我们常见的杨树、柳树、银杏树,还有香甜的猕猴桃都是雌雄异株的代表。当我们看到春天满天飞舞的杨柳絮,秋天赏心悦目的银杏叶,品尝着肥嫩多汁、美味可口的猕猴桃时,有没有好奇,在雌雄同株一统天下的大背景下,雌雄异株是如何演化出来的呢?它们背后又有着什么样的分子机制呢?

近日,日本京都大学的科研人员以猕猴桃为实验材料,揭示了植物性别演化的奥秘,相关研究成果以A Y-encoded Suppressor of Feminization Arose via Lineage-specific Duplication of a Cytokinin Response Regulator in Kiwifruit 为题,发表在国际知名学术期刊《The Plant Cell》上。

研究人员结合基因组测序和转录组分析,鉴定到了一个C类型的细胞分裂素响应调节因子(type-C  cytokinin response regulator )。该基因定位于Y染色体上,特异地在发育中的雄性花中表达,并且在其退化的心皮(雌蕊)组织中的表达量尤为高。研究人员推测,它很可能作为一个显性抑制因子,抑制猕猴桃雄性花中雌蕊的发育。

为了验证基因的功能,科研人员以基因自身的启动子驱动,将基因在模式植物拟南芥和烟草中异源表达。结果显示,在转基因拟南芥和烟草中,雌蕊明显退化,而雄蕊的育性并未受到影响。说明确实和预测的一样,该基因通过抑制雄花中雌蕊的发育,引起雌性不育,进而导致雄性花的产生。由于该基因使雌蕊像深闺中的少女一样,羞羞答答,不愿见人,于是科研人员给它取了一个形象的名字:害羞女孩(Shy GirlSyGl)。

进一步研究表明,SyGl 在雌蕊中的高表达,会减弱细胞分裂素的信号,进而抑制CLV-WUSCUC-STM 途径,这两个途径在心皮的发育过程中发挥重要作用。而外源施加细胞分裂素,可以部分恢复雄性花柱头的发育。有意思的是,在常染色体上发现了一个SyGl基因的拷贝Achn384741,它在花器官的各个组织中都不表达,却在幼嫩叶片中表达量丰富。将Achn384741在拟南芥和烟草中过表达,也会导致心皮的退化,说明SyGlAchn384741蛋白的功能相同,只是表达模式发生了变化。

系统发育分析显示,SyGl 可能起源于猕猴桃科2000万年前 Achn384741基因的一次复制事件,随后拷贝基因启动子上的顺式作用元件发生突变,导致基因的表达模式改变。虽然SyGl和其祖先基因Achn384741编码的蛋白功能相同,但是两者的表达部位完全不同,因此基因的功能也产生了分化。这也是基因演化的一种重要方式。

值得一提的是,本文研究人员也曾试图对雌性花的形成机制进行研究。不过,可能由于所取样品的发育时期不对,他们并没有找到雌性花中特异抑制雄性花器官发育的基因。后续的研究仍在进行。说不准在不久的将来,我们又能听到一个关于腼腆男孩(coy boy的精彩故事。让我们拭目以待吧!

 

【参考文献】

Akagi, T., Henry, I. M., Ohtani, H., Morimoto, T., Beppu, K., Kataoka, I., & Tao, R. (2018). A Y-encoded suppressor of feminization arose via lineage-specific duplication of a cytokinin response regulator in kiwifruit. The Plant Cell, tpc-00787.

Caseys, C. (2018). Shy Girl Gives Kiwifruit Male Flowers. The Plant Cell, tpc-00278.




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