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昆明植物所首次发现被子植物雄性偏向基因的快速演化
作者: 更新时间: 2024-02-26
性二态（亦称“第二性征”）是雌雄异体的生物个体在繁殖器官以外的形态、生理和生活史等方面所呈现的差异化特征，它通常源于性别偏向基因的差异表达。相关的工作最早始于模式动物果蝇的性别偏向基因鉴定和演化特征分析，研究发现在正选择和放松的纯化选择作用下，雄性偏向基因显示出较快的蛋白质序列演化速率。由于多数高等植物均为雌雄同株，即使在雌雄异株的植物中第二性征的发育通常也不明显，植物性别偏向基因的相关研究鲜有报道。
近日，中国科学院昆明植物研究所李德铢研究员专题组、李洪涛研究员专题组和周伟研究员专题组合作，依托中国西南野生生物种质资源库，以葫芦科雌雄异株植物全缘栝楼(Trichosanthes pilosa)为研究对象开展性别偏向基因的演化研究，首次在被子植物中揭示了雄性偏向基因的快速演化。全缘栝楼为多年生、晚间开花、昆虫授粉的雌雄异株藤本植物。该植物的雄花和雌花在形态和物候上表现出强烈的性别二态特征，如总状花与单生花（图1）、早花与晚花、早衰与长寿等。该研究对雌雄异株全缘栝楼的雌花芽和雄花芽，以及盛花期的雌花和雄花，进行了二代转录组测序分析。通过性别偏向基因的表达特征分析，在花芽组织中鉴定出5,096个（9.50%）雌性偏向基因和4,214个（7.86%）雄性偏向基因。相比之下，在盛花期的花组织中，仅检测到380个（0.70%）雌性偏向基因和233个（0.43%）雄性偏向基因。同时，也观察到在花芽中，性别偏向基因的数目比在盛花期花中的性别偏向基因的数目高出约15倍，表明与减数分裂过程、性别分化和性别二态性状相关的性别偏向基因主要在花芽中表达有关。对组织偏向（或发育时期偏向）基因的表达特征研究表明，在雄株中，盛花期的雄花的组织偏向基因数量（2,795）比雄花芽的组织偏向基因数量（1,755）多1,040个。然而，在雌株中，盛花期的雌花的组织偏向基因的数量（660）仅比雌花芽的组织偏向基因数量（124）多536个。结果表明，相对于雌株，雄株具有更高的组织偏向性。研究还通过比较组织偏向基因与雄性偏向和雌性偏向基因，确定在两种组织中表达的性别偏向基因的情况。对于雌株，却恰恰相反，不管在花芽还是盛花期的花，非常少的雌性偏向基因是组织偏向基因。
基于栝楼属全缘栝楼，中华栝楼，蛇瓜和丝瓜4个物种的系统发育关系，比较了雌性偏向基因，雄性偏向基因，无偏向基因的蛋白质编码序列的演化速率。在花芽中鉴定出 1,145个雌性偏向、343个雄性偏向和 2,378个无偏向的一对一直系同源簇。此外，在盛花期的花中，检测到 45个雌性偏向、13个雄性偏向和 3,782个无偏向的一对一直系同源簇。利用PAML软件，基于“Two-ratio”模型（假设前景枝和背景枝的ω值不同）和“Free-ratio”模型（假设每个枝的ω值不同）进行分析，发现在花芽中，雄性偏向基因呈现更快的蛋白质演化速率（图2）。应用PAML, aBSREL, BUSTED和RELAX等方法，进一步分析发现98个（28.57%）雄性偏向基因经历了正选择（包括性选择），18个（5.23%）雄性偏向基因经历了放松选择。通过基因功能分析发现，正选择作用下的雄性偏向基因的编码蛋白功能主要与非生物胁迫和免疫应答功能相关，如MAPKKK18，HSFB3，LRR-RLK和phyB等，表明快速的演化速率是由适应性演化驱动的；相比之下，放松选择作用下的雄性偏向基因通常是基因家族成员之一，由基因复制所产生，如LBD18，WRKY72和PRK3等。进一步的分析发现，雌花芽和雄花芽可能有不同的适应中国西南山地环境的机制；雄花芽主要是通过雄性偏向基因快速的演化来适应外部环境的变化，而雌花芽可能是通过雌性偏向基因的过多表达适应外部环境。此外，该研究还发现了可能与性别二态性表型相关的性别偏向基因，如雄花的总状花序的发育，早花和早衰等。研究首次在被子植物中阐述雄性偏向基因快速演化，对于阐明雌雄异株植物性别二态性的演化模式和驱动力有重要启示意义。
研究成果以Positive selection and relaxed purifying selection contribute to rapid evolution of male-biased genes in a dioecious flowering plant为题正式出版于Nature Index期刊eLife。赵磊博士和周伟研究员为论文共同第一作者，李德铢研究员和李洪涛研究员为论文共同通讯作者。昆明植物研究所西南野生生物种质资源库离体库何俊高级工程师等也参与了该项研究工作。
研究得到了中国科学院战略性先导科技专项(B类)（XDB31000000），国家自然科学基金（32370233, 31570333），云南省重点研发计划（202103AC100003），云南省基础研究专项重大项目（202101BC070003），科技基础资源调查专项（2019FY100900），中国西南野生生物种质资源库“交叉合作团队”开放研究项目，国家重要野生植物种质资源库和中国科学院关键技术人才项目的支持。
图1 全缘栝楼的雌花和雄花
图2 全缘栝楼花芽和盛花期雌性偏向、雄性偏向和无偏向基因dN/dS值的小提琴图