植物性别分化机制研究进展

张琳宜，曹均，吴裕鹏，郭丽琴，刘国彬，王烨，姚砚武，许玉兰，廖婷

(1.北京市农林科学院林业果树研究所，北京 100093；2.西南林业大学，云南 昆明 650224)

性别分化是生物界中存在的一种自然现象，是植物由营养生长转向生殖发育的重要过程。 植物性别分化是在花芽分化过程中同时进行，不仅受性别决定基因、性染色体以及内源信号如生长素[1]、赤霉素[2]、碳水化合物[3]等的调控，还受环境因素如温度、光周期和营养[4]等诸多因素影响，性别决定机制的复杂性使植物呈现出多样性的性别[5]。 不同植物性别分化的结果不同，是因为不同植物决定性别的方式不同，如有的通过性别决定基因和性染色体来决定，有的通过防止性别决定基因重组来保证稳定的性别分离；近来发现，基因表达活动的表观遗传效应在性别分化中也发挥着重要作用[6]。 不同性别的植株往往具有不同的利用价值，因此，研究植物性别分化机制不仅具有理论意义，也具有重要的实际应用价值，可为植物性别的早期鉴定、新品种选育等提供理论支撑，已成为学者们研究的热点。 本文通过对前人研究成果和国内外研究进展的总结归纳，主要从单性花的形成与花器官发育模型、性染色体与性别决定基因、植物激素和环境因子对性别分化的影响等方面综述植物性别分化的决定机制，以期为植物性别分化相关领域的更深入研究提供合理参考。

1 单性花的形成与花器官发育模型

植物的性别差异主要体现在花的差异上，雌雄成花决定了植物从营养生长向生殖生长的转变[7]。 根据性别分化结果，被子植物的花可以分为两性花和单性花两大类，大多数植物的花为两性花，而单性花一般认为是由两性花祖先进化而来[8]，是性别分化基因在雌雄同株植物的单个花分生组织中选择性表达，使雌蕊或雄蕊选择性败育形成的[9]。 单性花因只有一种有功能的性器官，常被用作性别分化机制研究的模式植物，可通过研究其性别决定机制帮助研究者明确影响植物性别分化及形态发生的调节机制，为植物性器官发育研究提供了良好的材料。

有研究表明大部分开花植物都起源于两性花祖先，因此植物花器官发育过程应该具有与模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)花发育ABCDE模型类似的特征[10]。 基于模式植物拟南芥和金鱼草的花发育突变体研究，花器官发育的ABC 模型首先被提出[11]；但随着研究的不断深入，发现很多现象无法利用该模型进行解释，且新的突变体的发现，使该模型得到逐步补充和完善，逐步扩展到ABCDE 模型，可以更好地描述花的发育过程[12]。 模型中的A、B、C、D、E 是指5 类基因，它们通过相互作用来控制花不同部位的发育:A 类基因决定第一轮发育的花萼，A 和B 类基因相互作用来控制第二轮发育的花瓣，B 和C 类基因互作来控制第三轮发育的雄蕊，C 类基因单独控制心皮的发育，D 类基因参与子房的形成，而E 类基因则参与萼片、雄蕊、心皮和子房的形成[13，14]。 这5 类基因大多属于MADS-box 基因[15]，MADS-box基因是一类重要的转录因子，在植物的性别分化和生长发育过程中具有重要的调控作用[16]。 有研究表明，植物MADS-box 家族中的FLC-like基因通过串联簇的形式促使植物体快速适应生长环境的变化，从而保持自身正常开花的习性[10]；拟南芥的花器官性别主要由大量的MADS-box 转录因子和其他转录因子相互作用共同调控[17]。

2 性染色体与性别决定基因

2.1 性染色体

生物中存在许多成对的染色体，其中与性别决定直接相关的一个或一对染色体被称为性染色体，其余的染色体则被称为常染色体。 大多数生物的性别取决于性染色体的异同，少数取决于体细胞染色体的倍数，极少数取决于个体发育时所处的内部和外部环境条件[18]。 植物的性别决定系统较为复杂，产生雌雄同株、雌雄异株及其他过渡类型。 大多数植物为雌雄同株，雌雄异株植物略少，两者在决定性别的方式上有很大不同。 雌雄同株植物每个个体的遗传组成相同，性别决定主要受性别决定基因在发育水平上的调控；而雌雄异株植物的雌、雄个体遗传组成不同，导致了两种性别单性花的形成[19]。 研究表明，在雌雄异株植物中，性别决定是由染色体及性别决定基因共同驱动的[20]。 当两个决定性别的基因在一条染色体上紧密相连并显性互补时，就会出现性染色体。 据不完全统计，植物中至少有48 个种已经公布具有性染色体，其中，20 个种的性染色体在细胞学水平上无法区分，为同型染色体，包括XY 型的16 个种和ZW 型的4 个种；28 个种的性染色体在形态上可以区分，为异型染色体，包括XY 型的27 个种和ZW 型的1 个种[21]。 被子植物中只有0.1%(25 000 种中的37 种)有性染色体[22]。 另外，当与性染色体或常染色体相连的基因在表达上有性别偏好时，可能会作为性别特异选择的结果出现，并选择能进一步限制雌性或雄性表达水平的调节机制[6]。

2.2 性别决定基因

性别决定基因在性别选择中起着决定性的作用，它们的分离和鉴定对于揭示植物性染色体的起源和进化机制具有重要意义。 对于有性染色体的植物，性别决定基因位于性染色体上[23]，目前主要定位在雌雄异株植物的性染色体上。 例如在木瓜(Pseudocydonia sinensis)中，对性别起决定作用的位点被定位在1 号染色体上的14 cM 区域[24]，而芦苇(Phragmites australis)的性别决定位点M 则被定位在5 号连锁群的0.25 cM 区域[25]。

已报道的对性别决定基因的研究主要集中在性染色体相关基因及与花器官发育相关基因的克隆和功能鉴定[26]。 一种常见的性别决定基因的鉴定方法就是从性染色体连接的基因开始鉴定性别决定基因[27]。 但只从少数植物中分离出功能明确的性别决定基因。 例如，从雌雄同株的玉米(Zea mays)中克隆出2 个性别决定基因5α-类固醇还原酶基因NA1和脂质加氧酶基因TS(Tasselseed1)[28]，分别影响油菜素内酯[29]和茉莉酸的生物合成[29，30]；从黄瓜(Cucumis sativus)中分离出两个控制性别决定的乙烯生物合成相关基因CSACS2和CS-ACS1G[31]；从甜瓜(Cucumis melo)中克隆出的乙烯生物合成相关基因Cm-ACS-7也被鉴定为性别决定基因，受另一个性别决定基因CmWIP1的抑制[32]。

木本植物中含有丰富的雌雄异株植物，包括XY 型和ZW 型两种性别决定系统。 近年来，越来越多的木本植物性别决定基因被鉴定和克隆。 已有研究者在二倍体植物君迁子(Diospyros lotus)中发现了雄性特异性决定基因OGI，位于Y 染色体上，通过编码一种小RNA 抑制位于常染色体上的雌性可育基因MeGI的表达，导致雄性植物发育[33]。 猕猴桃(Actinidia chinensisPlanch)为典型的雌雄异株植物，从其Y 染色体上克隆到2 个完全连锁且共同作用的性别决定基因SyGI和Fr-By，其中，SyGI基因可抑制雌蕊的发育[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 号染色体上143 kb 区间，参与细胞分裂代谢，利用该基因序列开发出了能够鉴别葡萄雌株的分子标记，推测APT可能是葡萄的性别决定基因[36]；利用单分子实时(single-molecule real-time，SMRT)测序技术和FALCON-Unzip组装工具分析认为，INP1也是葡萄性别决定的候选基因[37]；也有研究认为VviAPRT3基因可能在雄花发育过程中具有抑制葡萄雌蕊发育的作用[38]。

目前，对木本植物性别决定基因的研究大多处于生物信息学预测阶段，而验证基因功能的实验证据略少。 在番木瓜中，CpARR5基因在雄花中的表达和甲基化水平低于雌花，且是检测到的10 个与激素信号相关的差异表达基因中唯一一个有甲基化修饰位点的基因，影响木瓜性别分化。对杨梅(Morella rubra)雌株和雄株开展全基因组测序发现，MrASP2、MrFT2、MrCPS2和MrSAUR2与激素或成花相关，通过转录组分析，这4 个基因在雌性花芽中特异性表达，MrCPS2和MrASP2在花开始阶段有效表达，而MrSAUR2和MrFT2在雌性花原基形成阶段明显表达[39]，其中MrCPS2和MrASP2基因对杨梅的性别决定更为关键[40]；另有研究发现，MrFT2基因的分子标记与雌性植物完全关联，认为MrFT2基因可能对杨梅的性别有直接影响[41]。 近几年对杨柳科植物性别决定基因的研究较多，如德国Matthias Fladung 研究团队提出ARR17基因是杨树的性别决定基因[42]；Zhou 等认为FERR基因能够促进红皮柳(Salix sinopurpurea)雌蕊发育，并推测SpRR9是其性别决定基因[43]。在裸子植物中，通过GWAS 分析发现银杏(Ginkgo biloba)SDR 区有2 个RR 基因(RR2和RR12)只在雄株中特异性表达，推测其可能影响银杏的性别[44]。 这些性别决定基因的分离和鉴定，为了解植物的性别决定机制提供了坚实的基础[23]。

2.3 表观遗传调控在性别分化中的作用

表观遗传修饰是调控基因转录或转录后水平的机制，比如组蛋白修饰、DNA 修饰或通过基因转换(不改变DNA 序列)来调节基因表达，还可通过改变染色质结构、DNA 甲基化和基因组中转座子的插入来发挥作用[45，46]。 研究表明，DNA 胞嘧啶甲基化对植物保持单性特性至关重要[44]。在甜瓜(Cucumis melo)中，乙烯合成途径中Cm-WIP1的DNA 甲基化可以促进心皮发育，进而使其发育成雌花[32]。 异株女娄菜(Melandrium album)中DNA 甲基化参与了雄性植株的发育，DNA 去甲基化则会使雄性植株转化为雌雄同株[47]。 油棕(Elaeis guineensis)DNA 甲基化的丧失同样也会导致性别表型异常的表观突变体产生[48]。

表观遗传修饰中DNA 修饰直接影响着植物的性别决定和分化。 例如，用5-氮杂环丁处理白小麦草(wheatgrass)，将导致雄性植株部分转化为雌雄同体的植株，这是由于5-氮杂环丁引起DNA高甲基化和蛋白质H4 高乙酰化，导致与Y 染色体相连的雌雄同体抑制器失活[8]。 位于柿子(Diospyros kaki)Y 染色体上的性别决定基因OGI通过编码小RNA 调控位于常染色体上的MeGI基因来控制柿子的性别[33]。 在毛果杨(Populus trichocarpa)19 号染色体上存在一个小RNA 热区，间接表明其性别决定存在表观遗传修饰[49]。

表观遗传修饰在植物发育、生殖、生理生化等方面都发挥着重要作用，但目前在该领域的研究还较少。

3 植物激素与环境因子影响植物性别分化

3.1 植物激素在性别分化中的作用

植物激素对性别分化具有重要的调控作用，不同种类的激素对植物的调控作用不同。 单一激素对不同植物的调控作用不同，如IAA 有助于钝叶柃(Eurya obtusifolia)雌蕊发育[50]，这与前人对黄瓜(Cucumis sativus)[51]、 栝 楼(Trichosanthes kirilowii)[52]、软枣猕猴桃(Actinidia arguta)[53]等的研究结论吻合；而赤霉素(GA)对钝叶柃有促雄作用，这与在野牛草(Buchloe dactyloides)[54]、苎麻(Boehmeria nivea)[55]等上的研究结论相似，与在黄瓜[51]、山葡萄(V.amurensis)[56]等上的研究结论相反。 GA 参与调控细胞的生长，在性别决定中具有促进雄花发育的效应，在菠菜(Spinacia oleracea)、大麻(Cannabis sativa)等[57，58]单性花植物中，合理应用GA 能够促进雄花的有效表达。细胞分裂素(CTK)可促进植物组织分化与生长，具有促进雌花发育的作用，合理使用对板栗(Castanea mollissimaBlume)结果枝的加粗伸长生长具有促进作用[45，59]，并可使山葡萄雄株性转换种子的发芽率较高[54，56]，促进猕猴桃雌蕊发育。 生长素(IAA)对花原基的形成具有重要的调控作用，如在拟南芥IAA 转运体pin1-1突变体中缺失IAA 的极性运输能力，未发现成花[60]，而外源喷洒IAA 可以诱导成花[61]。 水杨酸(SA)具有促进植株雌雄花形成和调节种子发芽的作用[62]。 乙烯(ETH)的性别调节机制在甜瓜中研究最为深入，其性别决定基因已经被分离并建立了与ETH合成途径相关的性别调控模式；ETH 在甜瓜性别形成过程中起决定性作用，通过促进或抑制ETH合成，可以形成雄花、雌花或两性花。 目前针对脱落酸(ABA)在植物性别表达调控方面的研究略少，有研究发现，对黄瓜喷施适当浓度ABA 可使雌性系黄瓜的雌花数量增多。

在植物生长发育过程中，多种激素相互协作的效果要远大于某种激素单独作用[63]。 不同种类的激素协同作用，可通过改变成花关键基因的表达来实现性别调控。 研究发现，GA 可促使拟南芥初花期提前从而延长花期，而ETH 可使其末花期提前从而缩短花期，两者混合处理则使拟南芥提前开花[64]。 IAA 能提高雌雄同株植物中雌花比例，当与CTK 同时作用时，可调节植物的性别[65]。 茉莉酸(JA)在雄蕊发育过程中起着关键作用，可调控小穗与中心花序轴连接处特异表达的生物合成基因Tasselseed1(TS1)，其与油菜素内酯共同作用可影响雄花发育。

3.2 环境因子在性别分化中的作用

植物性别具有不稳定性，环境条件如光照强度、温度、矿物质营养和水分含量等因素的改变，可能会引起植物性别分化的方向或种群性别比例发生变化，甚至可能导致性别转换[66]。 高温和长日照条件可以促进黄瓜雄花的生长，而低温和短日照条件可以诱发其雌性化，尤其一定强度的蓝光诱发了雌花表型[62]。 一些矿质元素如氮、钾、磷对植物的性别表达有明显效应，且不同的矿质元素对植物性别表达有不同的影响，如生长期施用磷肥可以增加黄瓜的雌花数量，施用氮肥会改变栽培大麻的雌株比例，叶面合理喷施钾肥会直接改变板栗雌花的萌发比率。 生育期空气湿度和土壤湿度会影响植物个体的性别表达[67]，空气湿度和土壤湿度较高时可以促进黄瓜雌花发育，较低时则促进黄瓜雄花发育。 可见，环境因子可直接或间接地影响着性别表达从而影响植物性别分化。

4 结语

性别分化是植物成花的前提，不仅受内在遗传机制的调控，而且受植物体内各种激素和外界环境因子的影响，是一个错综复杂的过程。 目前性别决定系统的研究主要涉及性别决定区域的识别，而有关性别分化的潜在机制却很少被揭示，还有待于进一步深入研究。 随着大规模测序技术及相关生物信息分析方法的不断升级，越来越多的性别决定基因可能被发掘和鉴定，从而为植物性别分化领域的深入研究提供更多材料和支撑。