中國科學院昆明植物研究所
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科研進展

昆明植物所在四倍體野生草莓性別分化機制方面取得新進展

文章來源:中國科學院東亞植物多樣性與生物地理學重點實驗室  |  發布時間:2024-01-08  |  作者:張體操  |  瀏覽次數:  |  【打印】 【關閉

 

  生物的性別分化機制一直是生命科學領域的研究熱點。被子植物中雖然約有6%~15800種)的物種分化出了“性別”,卻零星分布在近半數的科中,而性別決定的遺傳機制僅在少數植物中被報道。薔薇科草莓屬(Fragaria spp.)包含約25個種,具有多樣的繁殖性系統以及自然倍性變異(2X、4X、5X、6X、8X、10X)。二倍體野生草莓均為雌雄同株兩性花,而多倍體野生草莓幾乎都是雌雄異株植物,雌雄分化與多倍體之間的關聯使草莓屬成為研究植物性別決定機制的理想材料。前人研究表明八倍體野生草莓擁有同態的雌性異配(ZW)性染色體,并提出剪切-粘貼機制在不同種中的性染色體轉換易位模型(Tennessen等,2018)。然而,目前關于四倍體野生草莓的性別分化機制尚無報道,染色體上性別決定區域在草莓屬內不同倍性物種中是獨立演化還是相對保守還不得而知。

  該研究首先成功組裝了同源四倍體西南草莓(Fragaria moupinensis)的896.26Mb單倍體型高質量基因組(4C),并將99.87%的序列錨定到28條假染色體上。在此基礎之上,分別基于k-mer和覆蓋率進行全基因組關聯分析(GWAS),并在2a號染色體上鑒定了一段33.6kb的非重組雌性W特異性別決定區域(SDR)?;蚪M注釋和雌雄花不同發育時期轉錄組結果均顯示該SDR區僅含一個候選性別決定基因(FmoAFT)。進一步的共線性和進化分析顯示西南草莓為ZZZW型四倍體,且該段SDR可能是通過5號染色體片段重復產生,核酸替換率的Ka/Ks分析表明FmoAFT基因受到了強烈的自然選擇作用(圖1)。為了探究FmoAFT在草莓屬內四倍體物種及其他倍性物種的起源演化情況,對草莓屬21個物種184個體進行了基因組重測序分析和同源基因PCR擴增,結果顯示該SDR區在所有四倍體物種中均表現出保守的雌株特異性,群體遺傳結果顯示譜系不完全分選和基因漸滲可能為FmoAFT在四倍體物種中的保守性作出了貢獻。但在二倍體和八倍體物種中并未找到FmoAFT的直系同源序列,表明四倍體和八倍體草莓的雌雄異株性別分化機制可能是獨立演化的(圖2)。最后,為了探討該基因在草莓性別分化中的功能,該研究利用病毒誘導的基因沉默(VIGS)敲低了栽培草莓中AFT基因同源轉錄本的表達,揭示了其在早期心皮發育過程中促進雌性功能的潛在作用。本文還應用DNA親和純化測序(DAP-seq)和酵母單雜交實驗鑒定了FmoAFT的潛在靶基因(圖3)。接下來FmoAFT及靶基因在草莓花發育中的具體機制仍有待進一步闡明。 

  總之,該研究成功鑒定了四倍體西南草莓雌花特異性發育的決定基因,并揭示了野生草莓性別分化的起源和分子遺傳機制,有助于在育種計劃中制定性別控制的策略。202417日,研究結果以Genomic analyses provide insights into sex differentiation of tetraploid strawberry (Fragaria moupinensis)為題在國際植物學一流期刊Plant Biotechnology Journal發表。中國科學院昆明植物研究所張體操研究員為通訊作者,云南農業大學喬琴教授與博士生曹強為文章第一作者(共同)。昆明植物所孫航院士、博士生張仁綱,沈陽農業大學雷家軍教授、薛莉博士,云南大學碩士生吳明釗、鄭譯冰玥,以及美國俄勒岡州立大學Aaron Liston教授也參與了本項工作。該研究得到國家自然科學基金和云南省科技項目的資助。 

  文章鏈接

 

1 西南草莓基因組特征與性別決定區(SDR)和候選基因鑒定 

 

2 性別決定基因AFT在四倍體草莓的保守性及屬內演化特征 

 

3 性別分化FmoAFT基因偏性表達、基因功能及互作蛋白分析 

(責任編輯:李雪)

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