植物性別分化機制研究進(jìn)展

張琳宜，曹均，吳裕鵬，郭麗琴，劉國彬，王燁，姚硯武，許玉蘭，廖婷

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所，北京 100093；2.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224)

性別分化是生物界中存在的一種自然現(xiàn)象，是植物由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖發(fā)育的重要過程。 植物性別分化是在花芽分化過程中同時進(jìn)行，不僅受性別決定基因、性染色體以及內(nèi)源信號如生長素[1]、赤霉素[2]、碳水化合物[3]等的調(diào)控，還受環(huán)境因素如溫度、光周期和營養(yǎng)[4]等諸多因素影響，性別決定機制的復(fù)雜性使植物呈現(xiàn)出多樣性的性別[5]。 不同植物性別分化的結(jié)果不同，是因為不同植物決定性別的方式不同，如有的通過性別決定基因和性染色體來決定，有的通過防止性別決定基因重組來保證穩(wěn)定的性別分離；近來發(fā)現(xiàn)，基因表達(dá)活動的表觀遺傳效應(yīng)在性別分化中也發(fā)揮著重要作用[6]。 不同性別的植株往往具有不同的利用價值，因此，研究植物性別分化機制不僅具有理論意義，也具有重要的實際應(yīng)用價值，可為植物性別的早期鑒定、新品種選育等提供理論支撐，已成為學(xué)者們研究的熱點。 本文通過對前人研究成果和國內(nèi)外研究進(jìn)展的總結(jié)歸納，主要從單性花的形成與花器官發(fā)育模型、性染色體與性別決定基因、植物激素和環(huán)境因子對性別分化的影響等方面綜述植物性別分化的決定機制，以期為植物性別分化相關(guān)領(lǐng)域的更深入研究提供合理參考。

1 單性花的形成與花器官發(fā)育模型

植物的性別差異主要體現(xiàn)在花的差異上，雌雄成花決定了植物從營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)變[7]。 根據(jù)性別分化結(jié)果，被子植物的花可以分為兩性花和單性花兩大類，大多數(shù)植物的花為兩性花，而單性花一般認(rèn)為是由兩性花祖先進(jìn)化而來[8]，是性別分化基因在雌雄同株植物的單個花分生組織中選擇性表達(dá)，使雌蕊或雄蕊選擇性敗育形成的[9]。 單性花因只有一種有功能的性器官，常被用作性別分化機制研究的模式植物，可通過研究其性別決定機制幫助研究者明確影響植物性別分化及形態(tài)發(fā)生的調(diào)節(jié)機制，為植物性器官發(fā)育研究提供了良好的材料。

有研究表明大部分開花植物都起源于兩性花祖先，因此植物花器官發(fā)育過程應(yīng)該具有與模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)花發(fā)育ABCDE模型類似的特征[10]。 基于模式植物擬南芥和金魚草的花發(fā)育突變體研究，花器官發(fā)育的ABC 模型首先被提出[11]；但隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)很多現(xiàn)象無法利用該模型進(jìn)行解釋，且新的突變體的發(fā)現(xiàn)，使該模型得到逐步補充和完善，逐步擴展到ABCDE 模型，可以更好地描述花的發(fā)育過程[12]。 模型中的A、B、C、D、E 是指5 類基因，它們通過相互作用來控制花不同部位的發(fā)育:A 類基因決定第一輪發(fā)育的花萼，A 和B 類基因相互作用來控制第二輪發(fā)育的花瓣，B 和C 類基因互作來控制第三輪發(fā)育的雄蕊，C 類基因單獨控制心皮的發(fā)育，D 類基因參與子房的形成，而E 類基因則參與萼片、雄蕊、心皮和子房的形成[13，14]。 這5 類基因大多屬于MADS-box 基因[15]，MADS-box基因是一類重要的轉(zhuǎn)錄因子，在植物的性別分化和生長發(fā)育過程中具有重要的調(diào)控作用[16]。 有研究表明，植物MADS-box 家族中的FLC-like基因通過串聯(lián)簇的形式促使植物體快速適應(yīng)生長環(huán)境的變化，從而保持自身正常開花的習(xí)性[10]；擬南芥的花器官性別主要由大量的MADS-box 轉(zhuǎn)錄因子和其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用共同調(diào)控[17]。

2 性染色體與性別決定基因

2.1 性染色體

生物中存在許多成對的染色體，其中與性別決定直接相關(guān)的一個或一對染色體被稱為性染色體，其余的染色體則被稱為常染色體。 大多數(shù)生物的性別取決于性染色體的異同，少數(shù)取決于體細(xì)胞染色體的倍數(shù)，極少數(shù)取決于個體發(fā)育時所處的內(nèi)部和外部環(huán)境條件[18]。 植物的性別決定系統(tǒng)較為復(fù)雜，產(chǎn)生雌雄同株、雌雄異株及其他過渡類型。 大多數(shù)植物為雌雄同株，雌雄異株植物略少，兩者在決定性別的方式上有很大不同。 雌雄同株植物每個個體的遺傳組成相同，性別決定主要受性別決定基因在發(fā)育水平上的調(diào)控；而雌雄異株植物的雌、雄個體遺傳組成不同，導(dǎo)致了兩種性別單性花的形成[19]。 研究表明，在雌雄異株植物中，性別決定是由染色體及性別決定基因共同驅(qū)動的[20]。 當(dāng)兩個決定性別的基因在一條染色體上緊密相連并顯性互補時，就會出現(xiàn)性染色體。 據(jù)不完全統(tǒng)計，植物中至少有48 個種已經(jīng)公布具有性染色體，其中，20 個種的性染色體在細(xì)胞學(xué)水平上無法區(qū)分，為同型染色體，包括XY 型的16 個種和ZW 型的4 個種；28 個種的性染色體在形態(tài)上可以區(qū)分，為異型染色體，包括XY 型的27 個種和ZW 型的1 個種[21]。 被子植物中只有0.1%(25 000 種中的37 種)有性染色體[22]。 另外，當(dāng)與性染色體或常染色體相連的基因在表達(dá)上有性別偏好時，可能會作為性別特異選擇的結(jié)果出現(xiàn)，并選擇能進(jìn)一步限制雌性或雄性表達(dá)水平的調(diào)節(jié)機制[6]。

2.2 性別決定基因

性別決定基因在性別選擇中起著決定性的作用，它們的分離和鑒定對于揭示植物性染色體的起源和進(jìn)化機制具有重要意義。 對于有性染色體的植物，性別決定基因位于性染色體上[23]，目前主要定位在雌雄異株植物的性染色體上。 例如在木瓜(Pseudocydonia sinensis)中，對性別起決定作用的位點被定位在1 號染色體上的14 cM 區(qū)域[24]，而蘆葦(Phragmites australis)的性別決定位點M 則被定位在5 號連鎖群的0.25 cM 區(qū)域[25]。

已報道的對性別決定基因的研究主要集中在性染色體相關(guān)基因及與花器官發(fā)育相關(guān)基因的克隆和功能鑒定[26]。 一種常見的性別決定基因的鑒定方法就是從性染色體連接的基因開始鑒定性別決定基因[27]。 但只從少數(shù)植物中分離出功能明確的性別決定基因。 例如，從雌雄同株的玉米(Zea mays)中克隆出2 個性別決定基因5α-類固醇還原酶基因NA1和脂質(zhì)加氧酶基因TS(Tasselseed1)[28]，分別影響油菜素內(nèi)酯[29]和茉莉酸的生物合成[29，30]；從黃瓜(Cucumis sativus)中分離出兩個控制性別決定的乙烯生物合成相關(guān)基因CSACS2和CS-ACS1G[31]；從甜瓜(Cucumis melo)中克隆出的乙烯生物合成相關(guān)基因Cm-ACS-7也被鑒定為性別決定基因，受另一個性別決定基因CmWIP1的抑制[32]。

木本植物中含有豐富的雌雄異株植物，包括XY 型和ZW 型兩種性別決定系統(tǒng)。 近年來，越來越多的木本植物性別決定基因被鑒定和克隆。 已有研究者在二倍體植物君遷子(Diospyros lotus)中發(fā)現(xiàn)了雄性特異性決定基因OGI，位于Y 染色體上，通過編碼一種小RNA 抑制位于常染色體上的雌性可育基因MeGI的表達(dá)，導(dǎo)致雄性植物發(fā)育[33]。 獼猴桃(Actinidia chinensisPlanch)為典型的雌雄異株植物，從其Y 染色體上克隆到2 個完全連鎖且共同作用的性別決定基因SyGI和Fr-By，其中，SyGI基因可抑制雌蕊的發(fā)育[34]，而Fr-By基因具有促雄功能[35]。 葡萄(Vitis vinifera)的APT基因定位在2 號染色體上143 kb 區(qū)間，參與細(xì)胞分裂代謝，利用該基因序列開發(fā)出了能夠鑒別葡萄雌株的分子標(biāo)記，推測APT可能是葡萄的性別決定基因[36]；利用單分子實時(single-molecule real-time，SMRT)測序技術(shù)和FALCON-Unzip組裝工具分析認(rèn)為，INP1也是葡萄性別決定的候選基因[37]；也有研究認(rèn)為VviAPRT3基因可能在雄花發(fā)育過程中具有抑制葡萄雌蕊發(fā)育的作用[38]。

目前，對木本植物性別決定基因的研究大多處于生物信息學(xué)預(yù)測階段，而驗證基因功能的實驗證據(jù)略少。 在番木瓜中，CpARR5基因在雄花中的表達(dá)和甲基化水平低于雌花，且是檢測到的10 個與激素信號相關(guān)的差異表達(dá)基因中唯一一個有甲基化修飾位點的基因，影響木瓜性別分化。對楊梅(Morella rubra)雌株和雄株開展全基因組測序發(fā)現(xiàn)，MrASP2、MrFT2、MrCPS2和MrSAUR2與激素或成花相關(guān)，通過轉(zhuǎn)錄組分析，這4 個基因在雌性花芽中特異性表達(dá)，MrCPS2和MrASP2在花開始階段有效表達(dá)，而MrSAUR2和MrFT2在雌性花原基形成階段明顯表達(dá)[39]，其中MrCPS2和MrASP2基因?qū)蠲返男詣e決定更為關(guān)鍵[40]；另有研究發(fā)現(xiàn)，MrFT2基因的分子標(biāo)記與雌性植物完全關(guān)聯(lián)，認(rèn)為MrFT2基因可能對楊梅的性別有直接影響[41]。 近幾年對楊柳科植物性別決定基因的研究較多，如德國Matthias Fladung 研究團隊提出ARR17基因是楊樹的性別決定基因[42]；Zhou 等認(rèn)為FERR基因能夠促進(jìn)紅皮柳(Salix sinopurpurea)雌蕊發(fā)育，并推測SpRR9是其性別決定基因[43]。在裸子植物中，通過GWAS 分析發(fā)現(xiàn)銀杏(Ginkgo biloba)SDR 區(qū)有2 個RR 基因(RR2和RR12)只在雄株中特異性表達(dá)，推測其可能影響銀杏的性別[44]。 這些性別決定基因的分離和鑒定，為了解植物的性別決定機制提供了堅實的基礎(chǔ)[23]。

2.3 表觀遺傳調(diào)控在性別分化中的作用

表觀遺傳修飾是調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平的機制，比如組蛋白修飾、DNA 修飾或通過基因轉(zhuǎn)換(不改變DNA 序列)來調(diào)節(jié)基因表達(dá)，還可通過改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA 甲基化和基因組中轉(zhuǎn)座子的插入來發(fā)揮作用[45，46]。 研究表明，DNA 胞嘧啶甲基化對植物保持單性特性至關(guān)重要[44]。在甜瓜(Cucumis melo)中，乙烯合成途徑中Cm-WIP1的DNA 甲基化可以促進(jìn)心皮發(fā)育，進(jìn)而使其發(fā)育成雌花[32]。 異株女婁菜(Melandrium album)中DNA 甲基化參與了雄性植株的發(fā)育，DNA 去甲基化則會使雄性植株轉(zhuǎn)化為雌雄同株[47]。 油棕(Elaeis guineensis)DNA 甲基化的喪失同樣也會導(dǎo)致性別表型異常的表觀突變體產(chǎn)生[48]。

表觀遺傳修飾中DNA 修飾直接影響著植物的性別決定和分化。 例如，用5-氮雜環(huán)丁處理白小麥草(wheatgrass)，將導(dǎo)致雄性植株部分轉(zhuǎn)化為雌雄同體的植株，這是由于5-氮雜環(huán)丁引起DNA高甲基化和蛋白質(zhì)H4 高乙?；瑢?dǎo)致與Y 染色體相連的雌雄同體抑制器失活[8]。 位于柿子(Diospyros kaki)Y 染色體上的性別決定基因OGI通過編碼小RNA 調(diào)控位于常染色體上的MeGI基因來控制柿子的性別[33]。 在毛果楊(Populus trichocarpa)19 號染色體上存在一個小RNA 熱區(qū)，間接表明其性別決定存在表觀遺傳修飾[49]。

表觀遺傳修飾在植物發(fā)育、生殖、生理生化等方面都發(fā)揮著重要作用，但目前在該領(lǐng)域的研究還較少。

3 植物激素與環(huán)境因子影響植物性別分化

3.1 植物激素在性別分化中的作用

植物激素對性別分化具有重要的調(diào)控作用，不同種類的激素對植物的調(diào)控作用不同。 單一激素對不同植物的調(diào)控作用不同，如IAA 有助于鈍葉柃(Eurya obtusifolia)雌蕊發(fā)育[50]，這與前人對黃瓜(Cucumis sativus)[51]、 栝 樓(Trichosanthes kirilowii)[52]、軟棗獼猴桃(Actinidia arguta)[53]等的研究結(jié)論吻合；而赤霉素(GA)對鈍葉柃有促雄作用，這與在野牛草(Buchloe dactyloides)[54]、苧麻(Boehmeria nivea)[55]等上的研究結(jié)論相似，與在黃瓜[51]、山葡萄(V.amurensis)[56]等上的研究結(jié)論相反。 GA 參與調(diào)控細(xì)胞的生長，在性別決定中具有促進(jìn)雄花發(fā)育的效應(yīng)，在菠菜(Spinacia oleracea)、大麻(Cannabis sativa)等[57，58]單性花植物中，合理應(yīng)用GA 能夠促進(jìn)雄花的有效表達(dá)。細(xì)胞分裂素(CTK)可促進(jìn)植物組織分化與生長，具有促進(jìn)雌花發(fā)育的作用，合理使用對板栗(Castanea mollissimaBlume)結(jié)果枝的加粗伸長生長具有促進(jìn)作用[45，59]，并可使山葡萄雄株性轉(zhuǎn)換種子的發(fā)芽率較高[54，56]，促進(jìn)獼猴桃雌蕊發(fā)育。 生長素(IAA)對花原基的形成具有重要的調(diào)控作用，如在擬南芥IAA 轉(zhuǎn)運體pin1-1突變體中缺失IAA 的極性運輸能力，未發(fā)現(xiàn)成花[60]，而外源噴灑IAA 可以誘導(dǎo)成花[61]。 水楊酸(SA)具有促進(jìn)植株雌雄花形成和調(diào)節(jié)種子發(fā)芽的作用[62]。 乙烯(ETH)的性別調(diào)節(jié)機制在甜瓜中研究最為深入，其性別決定基因已經(jīng)被分離并建立了與ETH合成途徑相關(guān)的性別調(diào)控模式；ETH 在甜瓜性別形成過程中起決定性作用，通過促進(jìn)或抑制ETH合成，可以形成雄花、雌花或兩性花。 目前針對脫落酸(ABA)在植物性別表達(dá)調(diào)控方面的研究略少，有研究發(fā)現(xiàn)，對黃瓜噴施適當(dāng)濃度ABA 可使雌性系黃瓜的雌花數(shù)量增多。

在植物生長發(fā)育過程中，多種激素相互協(xié)作的效果要遠(yuǎn)大于某種激素單獨作用[63]。 不同種類的激素協(xié)同作用，可通過改變成花關(guān)鍵基因的表達(dá)來實現(xiàn)性別調(diào)控。 研究發(fā)現(xiàn)，GA 可促使擬南芥初花期提前從而延長花期，而ETH 可使其末花期提前從而縮短花期，兩者混合處理則使擬南芥提前開花[64]。 IAA 能提高雌雄同株植物中雌花比例，當(dāng)與CTK 同時作用時，可調(diào)節(jié)植物的性別[65]。 茉莉酸(JA)在雄蕊發(fā)育過程中起著關(guān)鍵作用，可調(diào)控小穗與中心花序軸連接處特異表達(dá)的生物合成基因Tasselseed1(TS1)，其與油菜素內(nèi)酯共同作用可影響雄花發(fā)育。

3.2 環(huán)境因子在性別分化中的作用

植物性別具有不穩(wěn)定性，環(huán)境條件如光照強度、溫度、礦物質(zhì)營養(yǎng)和水分含量等因素的改變，可能會引起植物性別分化的方向或種群性別比例發(fā)生變化，甚至可能導(dǎo)致性別轉(zhuǎn)換[66]。 高溫和長日照條件可以促進(jìn)黃瓜雄花的生長，而低溫和短日照條件可以誘發(fā)其雌性化，尤其一定強度的藍(lán)光誘發(fā)了雌花表型[62]。 一些礦質(zhì)元素如氮、鉀、磷對植物的性別表達(dá)有明顯效應(yīng)，且不同的礦質(zhì)元素對植物性別表達(dá)有不同的影響，如生長期施用磷肥可以增加黃瓜的雌花數(shù)量，施用氮肥會改變栽培大麻的雌株比例，葉面合理噴施鉀肥會直接改變板栗雌花的萌發(fā)比率。 生育期空氣濕度和土壤濕度會影響植物個體的性別表達(dá)[67]，空氣濕度和土壤濕度較高時可以促進(jìn)黃瓜雌花發(fā)育，較低時則促進(jìn)黃瓜雄花發(fā)育。 可見，環(huán)境因子可直接或間接地影響著性別表達(dá)從而影響植物性別分化。

4 結(jié)語

性別分化是植物成花的前提，不僅受內(nèi)在遺傳機制的調(diào)控，而且受植物體內(nèi)各種激素和外界環(huán)境因子的影響，是一個錯綜復(fù)雜的過程。 目前性別決定系統(tǒng)的研究主要涉及性別決定區(qū)域的識別，而有關(guān)性別分化的潛在機制卻很少被揭示，還有待于進(jìn)一步深入研究。 隨著大規(guī)模測序技術(shù)及相關(guān)生物信息分析方法的不斷升級，越來越多的性別決定基因可能被發(fā)掘和鑒定，從而為植物性別分化領(lǐng)域的深入研究提供更多材料和支撐。