蓖麻性別決定基因研究進(jìn)展

楊俊芳，王 亞，曹 越，王 宙，張宏斌，王宏偉

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)作物研究所，山西太原030031）

蓖麻（Ricinus communis L.，2n＝20），屬于大戟科的單型蓖麻屬[1]，是一種重要的能源油料作物。蓖麻油因具有特殊的物理性質(zhì)，可應(yīng)用于航空、航天、軍工、醫(yī)藥、通訊、工程塑料、化工、紡織、汽車(chē)制造等數(shù)十個(gè)行業(yè)。蓖麻堿可以入藥，興奮中樞神經(jīng)系統(tǒng)，保護(hù)肝臟，增強(qiáng)人的記憶力；蓖麻毒素可以制成生物農(nóng)藥；蓖麻葉可以養(yǎng)蠶，莖稈可以造紙、制麻等?？傊吐榫哂休^高的綜合利用價(jià)值，是不可替代的能源戰(zhàn)略資源作物之一。

蓖麻雌性系（雄性不育）是雜種優(yōu)勢(shì)利用的重要材料，但蓖麻花序雌雄性狀（雌雄比、雌雄分布類(lèi)型）表達(dá)復(fù)雜，再加上雌性系的不穩(wěn)定性，在高溫等環(huán)境的刺激下容易出現(xiàn)性逆轉(zhuǎn)。因此，增加了蓖麻雌性系雜種優(yōu)勢(shì)利用的難度，影響了其利用效率。雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)于蓖麻單雌性狀的研究已久，但現(xiàn)有的基礎(chǔ)研究不夠深入系統(tǒng)，至今蓖麻雌性形成與性別決定的分子機(jī)制尚未明了。性別決定基因的研究是性別分化中最高水平的研究，也是徹底解決性別表達(dá)機(jī)制的關(guān)鍵所在。

本試驗(yàn)介紹了被子植物性別決定機(jī)制，并從蓖麻花器形態(tài)特征、性逆轉(zhuǎn)、性別遺傳規(guī)律及性別決定分子機(jī)制等方面進(jìn)行綜述，以期為探索蓖麻性別的決定機(jī)制提供一些思路和方法。

1 被子植物性別決定機(jī)制

被子植物中72%的物種為兩性花植物，雌雄單性現(xiàn)象在顯花植物中并不普遍，僅有4%～7%的被子植物為嚴(yán)格的雌雄單性異株或雌雄單性同株。不同類(lèi)型的植物有不同的性別決定系統(tǒng)。單性花植物性別決定可分為三大類(lèi)：性染色體、基因平衡和性別決定基因[2]。單性花植物分為雌雄異株和雌雄同株兩類(lèi)，在性別決定的方式上這兩類(lèi)植物有較大差別。一般雌雄異株植物具有性染色體，而雌雄同株植物沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的性染色體。雌雄異株植物的性染色體類(lèi)型分為XX/XY 型、X∶A 型和ZZ/ZW 型，分別以白麥瓶草XX/XY、酸模X∶A 和楊屬ZZ/ZW 為代表[3-5]。基因平衡也能決定植物性別，即通過(guò)性染色體和常染色體上基因之間的平衡狀態(tài)決定了植物的性別。

但多數(shù)植物性別是以性別決定基因的方式控制的。根據(jù)決定基因數(shù)量的多少可分為4 種：?jiǎn)位蜃?、雙基因座、復(fù)等位基因座和多基因座[6]。隨著各種分子標(biāo)記在被子植物性別決定機(jī)制研究中的應(yīng)用，許多與性別決定密切相關(guān)的基因或序列被發(fā)現(xiàn)，如MADS-box 基因、AP3 基因和OGI 基因等[7-10]。由于植物性別機(jī)制研究起步較晚，且性別表達(dá)具有多樣性和不穩(wěn)定性，大部分植物的性染色體處于進(jìn)化初期，同源性較高，使得植物性別決定機(jī)制相關(guān)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于動(dòng)物[11]。

2 蓖麻花器官的形態(tài)特征

蓖麻屬于雌雄同株異花植物，正常株蓖麻花序軸上方為紅色雌花，下方為黃色雄花，圓錐花序，常異花授粉，多級(jí)分枝，無(wú)限花期。但是除了正常株的兩型花序外，還有一些變異的總狀花序：全雌株，主穗為全雌而分枝花序底部出現(xiàn)少量雄花的雌性株，頂端鑲嵌雄花的兩性株，鑲嵌型雌性株（雄花分布在雌性花朵之間），正常株中的一朵雄花變異成兩性花；另外偶爾會(huì)出現(xiàn)一種或幾種類(lèi)型雌雄同株的混合花序。

3 蓖麻性別遺傳研究現(xiàn)狀

關(guān)于蓖麻性別遺傳的研究歷時(shí)已久，ANKINEEDUG 等[12]研究認(rèn)為，單雌性狀受溫度控制，是溫敏型不育系。PATEL 等[13]研究認(rèn)為，單雌性狀可能由多對(duì)基因控制。朱國(guó)立等[14-15]通過(guò)對(duì)測(cè)交和自交試驗(yàn)的后代性狀分離比進(jìn)行研究表明，單雌性狀受2 對(duì)連鎖的隱性基因控制，同時(shí)還表明核不育材料與柳葉狀葉片的性狀相連鎖。張維鋒等[16]利用自交、測(cè)交和回交等方法統(tǒng)計(jì)后代性別的分離比，結(jié)果表明，蓖麻單雌性狀是核型隱性遺傳，受具有重疊作用的數(shù)對(duì)基因控制。張春華等[17]研究表明，控制東北蓖麻單雌性狀的基因有4 對(duì)，其中，3 對(duì)為隱性重疊基因，另外1 對(duì)為隱性抑制基因。吳起順[18]用被子植物性別決定的基本規(guī)律推測(cè)，蓖麻有3 個(gè)發(fā)育花器官的基因座，分布在3 對(duì)染色體上，雌雄異花同株蓖麻通常上游花器官基因座發(fā)育雌花，中游和下游花器官基因座發(fā)育雄花。基因型XXgZgZMZg3g3M3M3、xxGZGZMZMZ-g3g3M3M3 為單雌株。其中，M 代表雄性抑制基因，G 代表雌性抑制基因，g代表雌性抑制基因不存在。奚蘊(yùn)馥[19]研究表明，單雌性狀屬核質(zhì)遺傳，受一對(duì)主基因控制。

4 外界因素對(duì)蓖麻性別不穩(wěn)定性的影響

蓖麻花穗的性別分化除了受遺傳控制外，在受到物理創(chuàng)傷、日照強(qiáng)度、溫度、激素誘導(dǎo)等外界條件的影響后，也可能發(fā)生性別逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象[20]，比如雌性單株主穗花序出現(xiàn)鑲嵌型雄花。噴施不同的激素也能使正常兩性株花序雌雄比和花序長(zhǎng)度發(fā)生變化。譚美蓮等[21]對(duì)不同材料的蓖麻噴施不同濃度的GA3、NAA、乙烯利、6-BA 和AgNO3等，結(jié)果表明，低濃度的GA3有利于蓖麻雌花的形成，高濃度的GA3則有利于雄花的分化；NAA 和6-BA 使雌花率增加，出現(xiàn)了純雌株；乙烯利有利于雄花的分化，一定濃度的乙烯利可使兩性株雄性化；AgNO3促雄效果明顯，使兩性株雄花率增加，單雌株出現(xiàn)少量雄花。代夢(mèng)媛等[22]分別使用3 種不同濃度的赤霉素合成抑制劑處理生長(zhǎng)中的晉蓖2 號(hào)，結(jié)果表明，經(jīng)多效唑處理后的蓖麻開(kāi)花期推遲，主穗花序雌雄比例較未處理的研究組明顯降低。多效唑在抑制蓖麻生長(zhǎng)的同時(shí)具有促進(jìn)雄花的作用。

5 蓖麻性別決定基因分子機(jī)制研究進(jìn)展

2010 年蓖麻全基因組測(cè)序完成，形成了蓖麻的第1 張基因草圖[23]，為基因組分析提供了巨大的機(jī)會(huì)。研究者可以借助分子標(biāo)記以及高通量測(cè)序的方法，對(duì)蓖麻的雌性性狀展開(kāi)研究。王亞[24]通過(guò)BSA法構(gòu)建雌性池和兩性池，通過(guò)對(duì)特異ISSR 引物進(jìn)行篩選，得到一個(gè)與蓖麻單雌性狀相關(guān)的候選分子標(biāo)記UBC844750。文淡悠[25]研究發(fā)現(xiàn)，乙烯是蓖麻性別決定的關(guān)鍵因素之一，克隆了RcACS5 基因和RcHK1 基因，并驗(yàn)證了二者的功能，證明RcACS5基因可以促進(jìn)蓖麻雄花發(fā)育，而RcHK1 基因與雌花發(fā)育相關(guān)。趙永[26]通過(guò)對(duì)3 種不同類(lèi)型花序DNA甲基化與蛋白質(zhì)組學(xué)差異研究，發(fā)現(xiàn)了差異基因片段C18 與差異蛋白質(zhì)M15 參與磷脂酰肌醇信號(hào)通路，并影響花粉中的液泡形態(tài)和花粉管發(fā)育。SHINDE 等[27]利用33 個(gè)RAPD 和11 個(gè)SSR 標(biāo)記對(duì)13 個(gè)不同類(lèi)型雌性系的遺傳多樣性進(jìn)行了研究。劉帥[28]構(gòu)建了10 條包含208 個(gè)SSR 分子標(biāo)記的遺傳圖譜，并結(jié)合表型值對(duì)蓖麻單雌性狀進(jìn)行了QTL定位。TAN 等[29]通過(guò)數(shù)字基因表達(dá)譜分析（DEG）技術(shù)對(duì)蓖麻正常株和雌性株從花芽到花序的發(fā)育過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄組差異進(jìn)行分析，找到了二者之間大量的轉(zhuǎn)錄差異片段DEGs，為蓖麻性別研究提供了一些參考依據(jù)。

6 展望

分子標(biāo)記是目的性狀基因研究的基礎(chǔ)手段，目前已尋找到了一些與性別連鎖的分子標(biāo)記，常見(jiàn)的有RAPD、AFLP、SCAR、ISSR、SSR 等。比如，番木瓜[30]、獼猴桃[31]、石刁柏[32]、杜仲[33]等。隨著第2 代、第3 代測(cè)序技術(shù)水平的提高以及測(cè)序成本的降低，為SNP 標(biāo)記的大規(guī)模挖掘以及高通量分型提供了契機(jī)。由于SNP 標(biāo)記屬于單核苷酸標(biāo)記，其標(biāo)記密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)的遺傳標(biāo)記，因此，SNP 標(biāo)記的應(yīng)用為目的性狀基因的精細(xì)定位提供了可靠的技術(shù)支撐。

菠菜是典型的雌雄異株植物，QIAN 等[34]運(yùn)用高通量測(cè)序技術(shù)，利用高密度SNP 標(biāo)記構(gòu)建遺傳圖譜，將性別決定基因定位在4 號(hào)連鎖群的66.98～69.72、75.48～92.96 cM處。范桂彥[35]利用SLAF-seq技術(shù)結(jié)合High Map 軟件構(gòu)建了菠菜高密度遺傳圖，對(duì)菠菜性別決定基因X/Y 進(jìn)行了精細(xì)定位。黃瓜是雌雄同株異花植物，同時(shí)也是性別分化研究的經(jīng)典材料，F(xiàn)/f、M/m 和A/a 是公認(rèn)的黃瓜性別決定的3 個(gè)主效基因，F(xiàn) 基因控制雌花發(fā)育，A 基因參與花雄性化，M基因控制單性花發(fā)育，隱性純合基因型mm 表現(xiàn)為兩性花[36-37]。甜瓜也屬于雌雄異花同株植物，在甜瓜遺傳圖譜上已經(jīng)標(biāo)有A 和G 這2 個(gè)控制性別分化的基因位點(diǎn)，BOUALEM 等[38]對(duì)497 個(gè)甜瓜種質(zhì)資源構(gòu)成的自然群體進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，A 位點(diǎn)是甜瓜雄花完全花性型共分離的位點(diǎn)。

雖然植物性別表達(dá)機(jī)制復(fù)雜，遺傳物質(zhì)與環(huán)境因素之間仍然存在太多未知關(guān)系，但是性別決定基因?qū)Υ菩坌詡€(gè)體發(fā)育起決定性作用，性別決定基因的分離與鑒定對(duì)于揭開(kāi)植物性別決定機(jī)制具有重要意義。蓖麻性別表達(dá)機(jī)制至今仍不清晰，因此，挖掘蓖麻性別決定基因?qū)τ诒吐樾詣e決定機(jī)制的研究至關(guān)重要。因此，未來(lái)依托測(cè)序技術(shù)，開(kāi)發(fā)SNP 標(biāo)記構(gòu)建高密度遺傳譜圖，對(duì)蓖麻性別決定基因進(jìn)行精細(xì)定位，是解析蓖麻雌性形成及性別決定機(jī)制的有效途徑，同時(shí)能夠有效指導(dǎo)蓖麻分子育種，提高蓖麻雌性系的雜種優(yōu)勢(shì)利用率。