木本植物性别决定基因研究进展 植物学报    2021, 56 (1): 90-103.   DOI: 10.11983/CBB20123

图1 已确定性别决定系统的杨柳科植物谱系树
文献来源: 蒿柳(Pucholt et al., 2015)、红皮柳(Carlson et al., 2017; Zhou et al., 2018, 2020)、簸箕柳(Chen et al., 2016)、三蕊柳(Li et al., 2020)、黑柳(Sanderson et al., 2020)、美洲黑杨(Geraldes et al., 2015; Xue et al., 2020)、毛果杨(Yin et al., 2008; Geraldes et al., 2015)、香脂杨(Geraldes et al., 2015)、欧洲黑杨(Gaudet et al., 2008; Geraldes et al., 2015)、银白杨(Paolucci et al., 2010; Sabatti et al., 2020)、美洲山杨(Pakull et al., 2009, 2011; Kersten et al., 2014)、欧洲山杨(Pakull et al., 2009, 2011; Kersten et al., 2014; Sabatti et al., 2020)、山杨(Xue et al., 2020)及胡杨(Yang et al., 2020)

正文中引用本图/表的段落

柿属(Diospyros)植物不仅染色体倍性复杂, 性别类型也较为丰富, 存在雌株、雄株和雌雄异花同株等多种类型(Yonemori et al., 1993)。近年来, 柿雌雄花性别分化的调控机理研究取得了重要进展。柿属二倍体植物君迁子(D. lotus)为雌雄异株, 成熟雄花3朵合生、呈聚伞状花序, 雌花1朵单生, 其性别决定系统为XY型(Akagi et al., 2013)。在没有参考基因组序列的情况下, 研究人员对君迁子种内杂交F₁代个体(32雌株和25雄株)分别进行基因组从头测序, 根据雌、雄性别将测序数据合并建成2个序列库, 通过对这2个序列库进行K-mer比较分析, 筛选出雄株特异的K-mer片段, 进行局部组装, 最终得到Y染色体上约1 Mb的雄株特异区间。结合雌雄花芽转录组差异表达分析, 结果表明该区间含有22个性别决定候选基因, 其中仅有1个基因(OGI)只在雄花中表达。此外, 通过差异表达分析还检测到1个位于常染色体上、仅在雌花中表达的基因(MeGI)。序列分析显示, OGI基因能够转录形成发卡结构, 产生小RNA分子; MeGI基因编码HD-Zip蛋白(同源异型-亮氨酸拉链蛋白), 属于高等植物特有的转录因子, 且OGI产生的小RNA能够介导MeGI基因沉默, 这也是雄花中未检测到MeGI基因表达的原因。过表达MeGI基因的拟南芥(Arabidopsis thaliana)和烟草(Nicotiana tabacum)出现雄蕊缺损、变短和花粉萌发率降低等表型, 表明MeGI基因能够抑制雄蕊发育。由此证明, 位于Y染色体特异片段上的OGI基因决定君迁子的性别, 该基因通过产生小 RNA抑制MeGI基因在雄株中表达, 从而促进雄蕊发育; 而雌株由于没有OGI基因, MeGI基因能够正常表达, 导致雌花中的雄蕊退化(Akagi et al., 2014)。随着君迁子雄株全基因组序列图谱的完成, OGI和MeGI基因的起源以及柿属植物性别决定系统的进化机制得到进一步明晰。Ks分析表明, 君迁子基因组在进化过程中经历了1次柿属植物特有的全基因组重复事件(Dd-α WGD), MeGI (Chr. 13)由其旁系同源基因SiMeGI (Chr. 4)经过全基因组重复或片段重复而来, MeGI和SiMeGI分化后演化出新的功能, 能够抑制雄蕊发育, 而SiMeGI仍保留祖先基因的功能, 调控花器官发育但不影响性别分化(Akagi et al., 2020)。基于以上发现, Akagi等(2020)提出柿属植物从雌雄同株向雌雄异株的演化模型: 在柿子祖先基因组中仅有SiMeGI基因, 其经历Dd-α WGD产生MeGI, MeGI在演化过程中获得新的功能, 导致雌株出现; MeGI经过片段重复产生OGI, OGI反过来抑制MeGI的表达, 导致雄株产生。因此, 位于Y染色体特异片段上的OGI通过调控MeGI基因表达与否决定君迁子雌雄性别。MeGI是1个重要的整合器, 它通过整合影响下游靶基因的表达进而影响雄蕊或雌蕊的发育。综合利用雌雄花芽转录组差异表达和共表达网络, Yang等(2019)预测了MeGI基因下游调控网络。该基因通过KNOX/ OFP/GRF激活细胞分裂素/生长素/赤霉素途径相关基因促进雌蕊发育; 同时通过SVP/SOC抑制PI的表达来抑制雄蕊发育。

杨柳科植物包括杨属(Populus spp.)和柳属(Salix spp.), 均为雌雄异株, 被广泛用于性染色体进化与性别决定机制研究。XY和ZW两种不同的性别决定系统在杨柳科植物中均存在, 已有9种杨树和5种柳树的性别决定系统得到鉴定。我们构建了杨柳科植物的谱系树, 并对其性别决定系统及性染色体信息进行了总结(图1)。

在已鉴定性别决定系统的杨柳科植物中, 有1种杨树和4种柳树为ZW型。其中, 银白杨(P. alba)性别决定区位于19号染色体的着丝粒附近(Paolucci et al., 2010), 而ZW型柳属植物性别决定位点均位于15号染色体(图1) (Hou et al., 2015; Pucholt et al., 2015; Zhou et al., 2018; Li et al., 2020; Sanderson et al., 2020)。Matthias Fladung团队和马涛团队均发现银白杨雌株的W染色体上存在3个完整ARR17基因的串联重复, 而Z染色体上缺失该基因, 说明ARR17在ZW型杨树的性别决定过程中同样发挥关键作用(Müller et al., 2020; Yang et al., 2020)。与杨树相比, 柳树性别决定基因的研究相对滞后。簸箕柳(S. suchowensis)原产于中国, 具有个体小、世代周期短等优势, 是研究植物ZW性别决定系统发生的理想材料。南京林业大学尹佟明团队率先完成了簸箕柳的全基因组测序及序列升级组装(Dai et al., 2014; Wei et al., 2020), 为实现簸箕柳性别决定基因的克隆创造了条件。Chen等(2016)利用AFLP标记将簸箕柳性别决定基因精细定位在母本第15号连锁群中部。Zhou等(2018)利用重测序数据将红皮柳(S. purpurea) SDR定位在15号染色体着丝粒附近大约5 Mb的区间内, 该区间重组抑制严重、富含重复序列。最近, Zhou等(2020)利用三代测序对红皮柳W染色体上SDR区(W-SDR)的结构特征进行了详细解析, 发现W-SDR长6.8 Mb, 占整条W染色体约40%, W-SDR内部200 kb的区间含有2组大的回文重复序列, 并富含LTR反转录转座子, 基因注释显示5个基因(SMR、RR、R1、R2和HCT)在这些回文序列中均有分布, 其中RR基因(SpRR9)存在明显的基因转换(gene conversion)现象, 并且在雌株葇荑花序中高表达。结合杨树中相关RR基因的研究结果, Zhou等(2020)推测SpRR9是红皮柳的性别决定基因。

无花果(Ficus carica)属桑科(Moraceae)榕属(Ficus), 隐头花序, 根据其花类型和结实情况分为4种: 野生型(caprifig)、斯密尔那型(Smyrna)、圣比罗型(San Pedro)和普通型(common) (乔峰等, 2018)。野生型雌雄同花(由雄花和短柱雌花构成), 主要为无花果传粉蜂的寄主, 因此又被认为是无花果雄株; 而其它3种类型仅产生长柱雌花, 无花果的性别决定类型为XY型(Valdeyron and Lloyd, 1979)。Mori等(2017)构建了无花果基因组草图, 并结合家系连锁分析和全基因组关联分析(GWAS)将性别位点定位在1号染色体约100 kb的区间内。进一步分析该区间内所有SNP位点与性别的相关性, 发现有2个SNP位点(造成错义突变)与性别呈中等相关且在雄株中为杂合, 这2个SNP位点位于同一基因(RAN1)内部, 该基因编码铜转运ATP酶, 参与乙烯信号响应, 在雌株果实中表达量最高, 因此推测RAN1是无花果性别决定候选基因。

阿月浑子(Pistacia vera)又名开心果, 是漆树科(Anacardiaceae)黄连木属(Pistacia)的重要经济树种, 其性别早期鉴定具有较大的理论意义和应用价值.为开发与性别连锁的SNP位点用于分子标记辅助选择, Kafkas等(2015)随机挑选了阿月浑子杂交F₁代中的8雄8雌, 与亲本分别进行RAD测序, 从筛选出的38个与性别连锁的SNP标记中开发出4对可以用于性别早期鉴定的引物, 利用这些引物对166份种质资源进行性别鉴定的准确率高达100%.此外, 38个与性别连锁的SNP位点均为雌株杂合、雄株纯合.该研究首次确定了阿月浑子的性别决定系统为ZW型. ...