有花植物缘何雌雄异熟
大
中
小
◎本报记者 赵汉斌
在有花植物中，雌雄异熟是指同一朵花的雌蕊与雄蕊在不同时间成熟。这一机制能有效避免自交，促进异交，从而维持种群的遗传多样性。但究竟是哪个遗传“开关”控制了这种雌雄异熟，其分子作用机制如何？此前，在科学界一直成谜。
近期，由云南农业大学、云南大学等多家单位研究人员联合完成的一项研究，阐明了有花植物避免自交、促进异交的分子调控机制。这一发现为理解植物性系统演化提供了新视角。相关研究成果日前在线发表于《自然·植物》。
此前，植物生态学家李庆军团队发现，具有花柱卷曲性的姜科山姜属植物是研究雌雄异熟谜题的理想模型。该植物种群中存在两种花型：花柱向上卷曲的雌蕊先熟型和花柱向下卷曲的雄蕊先熟型，二者以1∶1比例共存，且每日同步进行方向相反的节律性运动，精准实现异花授粉。
随后，由云南大学、云南农业大学、中国科学院西双版纳热带植物园、加拿大多伦多大学等多家单位科研人员组成的研究团队，历经近十年攻关，取得了一系列重要成果。研究人员首先通过对多个山姜属物种的自然种群调查与人工授粉实验，证实其花柱卷曲性遵循经典孟德尔遗传规律，即由单一基因位点控制，雌蕊先熟为显性杂合基因型，雄蕊先熟为隐性纯合基因型。利用基因组测序与关联分析，团队最终将控制基因定位在8号染色体末端的“雌雄异熟决定区”，并发现两种花型该区域存在显著的结构差异——雌蕊先熟花型中插入了一段包含完整转座子的大片段DNA，而雄蕊先熟花型则存在对应缺失。
研究团队通过分析马来良姜雌雄器官在一天中不同时间点的基因表达节律，发现一个此前未报道的新基因SMPED1，正是调控这一节律的关键“开关”。它所表达的节律，与花柱的每日运动和花药的开裂时间高度同步。通过瞬时抑制实验，研究团队发现下调该基因表达后，花柱的节律性运动完全停止。
在模式植物验证方面，研究人员将该基因导入拟南芥，发现它可使拟南芥花药提前数小时开裂，从而证明其直接调控雄蕊的成熟时间。
进一步研究揭示，SMPED1基因在所有有花植物中高度保守，原本可能仅参与花药开裂调控。而在山姜属植物中，转座子插入导致的基因表达模式改变，使其演化出同时控制雌蕊运动和雄蕊成熟的多效性功能，并形成了独特的花柱卷曲性。
论文第一作者、云南农业大学教授董扬介绍，这一研究成果不仅为理解被子植物雌雄异熟的起源与维持机制提供了见解，更为关键的是，研究还揭示了转座子在基因组结构变异和调控重塑中的关键作用，为作物育种提供了新的理论依据与技术靶点。
各省市科技厅网站
自治区政府部门网站
西藏各科研院所网站
