蓖麻性别决定基因研究进展

杨俊芳，王 亚，曹 越，王 宙，张宏斌，王宏伟

（山西农业大学经济作物研究所，山西太原030031）

蓖麻（Ricinus communis L.，2n＝20），属于大戟科的单型蓖麻属[1]，是一种重要的能源油料作物。蓖麻油因具有特殊的物理性质，可应用于航空、航天、军工、医药、通讯、工程塑料、化工、纺织、汽车制造等数十个行业。蓖麻碱可以入药，兴奋中枢神经系统，保护肝脏，增强人的记忆力；蓖麻毒素可以制成生物农药；蓖麻叶可以养蚕，茎秆可以造纸、制麻等。总之，蓖麻具有较高的综合利用价值，是不可替代的能源战略资源作物之一。

蓖麻雌性系（雄性不育）是杂种优势利用的重要材料，但蓖麻花序雌雄性状（雌雄比、雌雄分布类型）表达复杂，再加上雌性系的不稳定性，在高温等环境的刺激下容易出现性逆转。因此，增加了蓖麻雌性系杂种优势利用的难度，影响了其利用效率。虽然国内外关于蓖麻单雌性状的研究已久，但现有的基础研究不够深入系统，至今蓖麻雌性形成与性别决定的分子机制尚未明了。性别决定基因的研究是性别分化中最高水平的研究，也是彻底解决性别表达机制的关键所在。

本试验介绍了被子植物性别决定机制，并从蓖麻花器形态特征、性逆转、性别遗传规律及性别决定分子机制等方面进行综述，以期为探索蓖麻性别的决定机制提供一些思路和方法。

1 被子植物性别决定机制

被子植物中72%的物种为两性花植物，雌雄单性现象在显花植物中并不普遍，仅有4%～7%的被子植物为严格的雌雄单性异株或雌雄单性同株。不同类型的植物有不同的性别决定系统。单性花植物性别决定可分为三大类：性染色体、基因平衡和性别决定基因[2]。单性花植物分为雌雄异株和雌雄同株两类，在性别决定的方式上这两类植物有较大差别。一般雌雄异株植物具有性染色体，而雌雄同株植物没有专门的性染色体。雌雄异株植物的性染色体类型分为XX/XY 型、X∶A 型和ZZ/ZW 型，分别以白麦瓶草XX/XY、酸模X∶A 和杨属ZZ/ZW 为代表[3-5]。基因平衡也能决定植物性别，即通过性染色体和常染色体上基因之间的平衡状态决定了植物的性别。

但多数植物性别是以性别决定基因的方式控制的。根据决定基因数量的多少可分为4 种：单基因座、双基因座、复等位基因座和多基因座[6]。随着各种分子标记在被子植物性别决定机制研究中的应用，许多与性别决定密切相关的基因或序列被发现，如MADS-box 基因、AP3 基因和OGI 基因等[7-10]。由于植物性别机制研究起步较晚，且性别表达具有多样性和不稳定性，大部分植物的性染色体处于进化初期，同源性较高，使得植物性别决定机制相关研究远远落后于动物[11]。

2 蓖麻花器官的形态特征

蓖麻属于雌雄同株异花植物，正常株蓖麻花序轴上方为红色雌花，下方为黄色雄花，圆锥花序，常异花授粉，多级分枝，无限花期。但是除了正常株的两型花序外，还有一些变异的总状花序：全雌株，主穗为全雌而分枝花序底部出现少量雄花的雌性株，顶端镶嵌雄花的两性株，镶嵌型雌性株（雄花分布在雌性花朵之间），正常株中的一朵雄花变异成两性花；另外偶尔会出现一种或几种类型雌雄同株的混合花序。

3 蓖麻性别遗传研究现状

关于蓖麻性别遗传的研究历时已久，ANKINEEDUG 等[12]研究认为，单雌性状受温度控制，是温敏型不育系。PATEL 等[13]研究认为，单雌性状可能由多对基因控制。朱国立等[14-15]通过对测交和自交试验的后代性状分离比进行研究表明，单雌性状受2 对连锁的隐性基因控制，同时还表明核不育材料与柳叶状叶片的性状相连锁。张维锋等[16]利用自交、测交和回交等方法统计后代性别的分离比，结果表明，蓖麻单雌性状是核型隐性遗传，受具有重叠作用的数对基因控制。张春华等[17]研究表明，控制东北蓖麻单雌性状的基因有4 对，其中，3 对为隐性重叠基因，另外1 对为隐性抑制基因。吴起顺[18]用被子植物性别决定的基本规律推测，蓖麻有3 个发育花器官的基因座，分布在3 对染色体上，雌雄异花同株蓖麻通常上游花器官基因座发育雌花，中游和下游花器官基因座发育雄花。基因型XXgZgZMZg3g3M3M3、xxGZGZMZMZ-g3g3M3M3 为单雌株。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。奚蕴馥[19]研究表明，单雌性状属核质遗传，受一对主基因控制。

4 外界因素对蓖麻性别不稳定性的影响

蓖麻花穗的性别分化除了受遗传控制外，在受到物理创伤、日照强度、温度、激素诱导等外界条件的影响后，也可能发生性别逆转现象[20]，比如雌性单株主穗花序出现镶嵌型雄花。喷施不同的激素也能使正常两性株花序雌雄比和花序长度发生变化。谭美莲等[21]对不同材料的蓖麻喷施不同浓度的GA3、NAA、乙烯利、6-BA 和AgNO3等，结果表明，低浓度的GA3有利于蓖麻雌花的形成，高浓度的GA3则有利于雄花的分化；NAA 和6-BA 使雌花率增加，出现了纯雌株；乙烯利有利于雄花的分化，一定浓度的乙烯利可使两性株雄性化；AgNO3促雄效果明显，使两性株雄花率增加，单雌株出现少量雄花。代梦媛等[22]分别使用3 种不同浓度的赤霉素合成抑制剂处理生长中的晋蓖2 号，结果表明，经多效唑处理后的蓖麻开花期推迟，主穗花序雌雄比例较未处理的研究组明显降低。多效唑在抑制蓖麻生长的同时具有促进雄花的作用。

5 蓖麻性别决定基因分子机制研究进展

2010 年蓖麻全基因组测序完成，形成了蓖麻的第1 张基因草图[23]，为基因组分析提供了巨大的机会。研究者可以借助分子标记以及高通量测序的方法，对蓖麻的雌性性状展开研究。王亚[24]通过BSA法构建雌性池和两性池，通过对特异ISSR 引物进行筛选，得到一个与蓖麻单雌性状相关的候选分子标记UBC844750。文淡悠[25]研究发现，乙烯是蓖麻性别决定的关键因素之一，克隆了RcACS5 基因和RcHK1 基因，并验证了二者的功能，证明RcACS5基因可以促进蓖麻雄花发育，而RcHK1 基因与雌花发育相关。赵永[26]通过对3 种不同类型花序DNA甲基化与蛋白质组学差异研究，发现了差异基因片段C18 与差异蛋白质M15 参与磷脂酰肌醇信号通路，并影响花粉中的液泡形态和花粉管发育。SHINDE 等[27]利用33 个RAPD 和11 个SSR 标记对13 个不同类型雌性系的遗传多样性进行了研究。刘帅[28]构建了10 条包含208 个SSR 分子标记的遗传图谱，并结合表型值对蓖麻单雌性状进行了QTL定位。TAN 等[29]通过数字基因表达谱分析（DEG）技术对蓖麻正常株和雌性株从花芽到花序的发育过程中的转录组差异进行分析，找到了二者之间大量的转录差异片段DEGs，为蓖麻性别研究提供了一些参考依据。

6 展望

分子标记是目的性状基因研究的基础手段，目前已寻找到了一些与性别连锁的分子标记，常见的有RAPD、AFLP、SCAR、ISSR、SSR 等。比如，番木瓜[30]、猕猴桃[31]、石刁柏[32]、杜仲[33]等。随着第2 代、第3 代测序技术水平的提高以及测序成本的降低，为SNP 标记的大规模挖掘以及高通量分型提供了契机。由于SNP 标记属于单核苷酸标记，其标记密度远远超出了传统的遗传标记，因此，SNP 标记的应用为目的性状基因的精细定位提供了可靠的技术支撑。

菠菜是典型的雌雄异株植物，QIAN 等[34]运用高通量测序技术，利用高密度SNP 标记构建遗传图谱，将性别决定基因定位在4 号连锁群的66.98～69.72、75.48～92.96 cM处。范桂彦[35]利用SLAF-seq技术结合High Map 软件构建了菠菜高密度遗传图，对菠菜性别决定基因X/Y 进行了精细定位。黄瓜是雌雄同株异花植物，同时也是性别分化研究的经典材料，F/f、M/m 和A/a 是公认的黄瓜性别决定的3 个主效基因，F 基因控制雌花发育，A 基因参与花雄性化，M基因控制单性花发育，隐性纯合基因型mm 表现为两性花[36-37]。甜瓜也属于雌雄异花同株植物，在甜瓜遗传图谱上已经标有A 和G 这2 个控制性别分化的基因位点，BOUALEM 等[38]对497 个甜瓜种质资源构成的自然群体进行分析发现，A 位点是甜瓜雄花完全花性型共分离的位点。

虽然植物性别表达机制复杂，遗传物质与环境因素之间仍然存在太多未知关系，但是性别决定基因对雌雄性个体发育起决定性作用，性别决定基因的分离与鉴定对于揭开植物性别决定机制具有重要意义。蓖麻性别表达机制至今仍不清晰，因此，挖掘蓖麻性别决定基因对于蓖麻性别决定机制的研究至关重要。因此，未来依托测序技术，开发SNP 标记构建高密度遗传谱图，对蓖麻性别决定基因进行精细定位，是解析蓖麻雌性形成及性别决定机制的有效途径，同时能够有效指导蓖麻分子育种，提高蓖麻雌性系的杂种优势利用率。