揭示单基因调控杨树性别决定的动态进化（2020.6.5 Plant Biotechnology Journal）

有性繁殖能够加快物种适应速度，因此在自然界普遍存在。雌雄异体在动物中最为常见，然而大多数的植物则是雌雄同体。植物雌雄异株是指雌花与雄花生长在不同植株个体上的现象，已经成百上千次的在不同植物谱系中独立的进化出该表型。但是从雌雄同体到雌雄异体转变的遗传基础在很大程度上仍然是模糊不清。目前，主要的模型是假定一个染色体上有两个相连的突变，一个影响雌性功能另一个影响雄性功能，以起始形成重组抑制和性染色体分化。目前的实验数据均支持该主流观点。单基因控制雌雄同体到雌雄异体转变的分子机制有趣，但很难有明确的实验数据来证明。

近日，来自德国图能林木遗传研究所的Matthias Fladung团队在Nature Plants上发表了题为“A single gene underlies the dynamic evolution of poplar sex determination”的研究成果。该研究利用杨树的自然变异来解决遗传基础和进化轨迹的古老但高度可变的性别决定系统的具体分子机制。该研究揭示不同的杨树品种在Y染色体的雄性特异性区域携带部分拟南芥响应调控因子17（ARR17）同源基因。该重复能够产生小RNAs导致雄性特异DNA甲基化和ARR17的基因沉默。CRISPR/Cas9诱导的arr17突变体表型鉴定表明：ARR17具有性别转换功能。具体表现为：当ARR17起功能时触发雌性发育，ARR17功能缺失时则触发雄性发育。尽管在植物中性别决定系统不断的发生变化，具体表现在从XY性别决定系统到ZW性别决定系统的转变，然而，ARR17的性别调控在杨树属中是保守的，可能在杨树属以外也是如此。该研究揭示了单基因调控雌雄异株机制是如何在高度动态的性相关区域产生，并且有助于维持性染色体的重组和完整性。

文章首先利用香脂楊树的全基因组关联分析数据鉴定到ARR17存在最多的与性别连锁SNP位点。同时，利用基因组重测序数据，发现了一个ARR17基因外显子1-4的雄性特异性重复，该重复与性别连锁SNP位点完全吻合。为了阐明雄性特异的ARR17部分重复序列的基因组结构，研究人员利用单分子测序技术组装高度连续的Y性染色体重叠群。组装的结果表明ARR17雄性特异性重复位于位于紧靠性连锁基因的位置上，并且以反向重复的排列方式进行排列。这种反向重复的结构在转录后，可能形成双链RNA（dsRNA）。dsRNA进一步加工形成小干扰RNAs，从而影响ARR17基因的表达。研究的数据也表明确实是有这种可能，Y染色体ARR17的反向重复能够触发RNA介导的DNA甲基化，引起基因表观沉默。

为了探讨ARR17基因的沉默是否真的会影响性别决定，研究人员利用CRISPR/Cas9系统，创制了arr17突变体材料，对突变体材料的表型鉴定表明ARR17基因的沉默触发雄性器官发生，ARR17正常起功能时则是触发雌性器官发育。

总之，该研究揭示了ARR17基因是杨树属中性别决定的主要调节因子。ARR17具有性别转换功能，当ARR17起功能时触发雌性发育，ARR17功能缺失时则触发雄性发育。这种转化可以直接通过突变的存在与否来控制，也可以通过基于sRNA/RdDM的分子机制进行远程的操作。该研究结果揭示了单个基因分离突变不仅可以用于雌雄异株的人工繁殖，也有利于自然系统的进化。