Science：植物的“性别大战”

2015年11月6日在《Science》杂志上发表的一项研究中，以色列巴伊兰大学生命科学学院的科学家发现，编码 “纯雄植物”——植物只产生雄花的一种状态——的基因，可介导一种关键植物酶的产生，这种酶决定着一个早期萌芽是否将会发展成为一朵完全雄性或完全雌性的花。

　　

生物通报道：大多数人不知道这一点，我们在超市买的黄瓜只是雌性——育种者精心培育出只产雌花的黄瓜植株上结的果。但是农民们很早就知道，“雌性特征”是农业成功的影响因素——雌花比例越高，种子和果实的产量就越大，最近科学家们揭开了植物性别决定的分子基础。延伸阅读：973首席科学家黄瓜遗传研究刊登权威期刊。

2015年11月6日在《Science》杂志上发表的一项研究中，以色列巴伊兰大学生命科学学院的Rafael Perl-Treves教授及其同事表明，编码 “纯雄植物”——植物只产生雄花的一种状态——的基因，可介导一种关键植物酶的产生，这种酶决定着一个早期萌芽是否将会发展成为一朵完全雄性或完全雌性的花。当在一个用显微镜可见的萌芽状态中操纵这种酶的水平时，我们有可能任意指导花的性别“身份”。

植物王国的少数“中性”派
Perl-Treves说：“大多数植物是雌雄同体的，这意味着它们的每朵花都含有雄性和雌性的生殖器官，可产生花粉和种子。但是，我的研究集中在少数植物种类：百分之十的开花植物，其花只有雄性，或只有雌性的生殖结构。这是一个热门话题，因为雌性花的比例越大，作物产量就越大。我们的研究表明，这些植物的一个特定家族，具有一种专门的性别决定策略：它们通过一种酶驱动的机制产生雌花，可抑制雄性器官的出现，并促进子房的发育。”

Perl-Treves是瓜类分子遗传学专家，这个植物家族包括黄瓜、南瓜、西瓜和甜瓜。在这项研究和以前与其法国国家农业研究院（INRA）的同事Abdelhafid Bendahmane博士和Catherine Dogimont博士合作的研究中，Perl-Treves分离出了三个已知在瓜类性别表达中发挥作用的两个基因（第三个基因在几年前由另一个以色列科学家Tova Trebitsch博士分离出来）。现在，Perl-Treves和他的同事们已经破译了介导黄瓜性别决定的分子机制。

Perl-Treves解释说：“我们的工作重点是纯雄体基因，其产生完全雄花的表型。我们发现，正是这个基因，也控制着雌花的产生。它通过产生一种酶——ACS11做到这一点，这种酶可限制一种天然植物激素（称为乙烯）的生物合成。当ACS11活跃时——就是说，当乙烯是在正确的位置产生时，会发育出雌花。然而，当一个突变致使ACS11被抑制时，其结果是，在发育的花芽中具有较低水平的乙烯。在这种情况下，产生雄性花而不是雌性花。”

选择你的（植物）性取向
Perl-Treves还没有表征乙烯抑制雄花出现的确切分子机制。然而，他表示，发现这个基因介导的动态，可能已经具有重要的现实意义。

他说：“乙烯生产可以被定量的修改，从而使正在发育的植物发生性别转换，甚至在分离出相关基因之前，研究人员可通过使用经典的杂交育种技术和化学激素处理，来完成性别的微调。既然我们了解了这个基因在性别决定中起到的非常特异性的作用，那么就有可能使用直接的DNA “诊断法”，来选择具有农业优势的植物。虽然这项研究主要涉及瓜类，但这种方法理论上可以为改善其他作物产量的策略奠定基础。例如，在单性的树木（如棕榈和开心果）中，在苗圃期预测树木性别的DNA测试，具有极大的经济重要性，因为树木的性别变得明显（雌树需要收获果实），需要几年的时间。”

这一发现也可以产生更高效、遗传学为基础的杂交育种方法，用于商业种子生产。

Perl-Treves解释说：“通过杂交产生的杂交种子，种子生产者通过手动给花朵去势，这是一个非常劳动密集的过程。现在我们知道了瓜类抑制雄性的机制，在未来的一段时间内，我们可以通过基因工程手段，将这种基于基因的机制用于非瓜类物种中。”

“性进化”的产物
在黄瓜中分离出性别决定基因后，Perl-Treves的同事也在甜瓜中发现了同样的基因。像在两个独立的考古遗址发现一对同时铸造的硬币一样，这个发现使人们有可能确定这一机制在植物历史上发生的时间。

他说：“甜瓜和黄瓜是从同一个家族进化而来的两个物种。根据这两个物种在进化树上分开的时间，我们可以估计，约一千万年来，这种共享的遗传机制一直都在决定着植物的性别。”

Perl-Treves说，在一个明显更短的时间尺度上分离引起性别决定的DNA，还需要几年密集的基因定位工作，仍有很长的科学道路要走。

他说：“我们未来的目标是，了解乙烯的生物合成究竟是如何抑制雄花、从而让雌性出现的。这仅仅是一个关于植物繁殖的发育遗传学问题，在未来可能会产生显著的生物技术资产。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文：
A. Boualem et al. A cucurbit androecy gene reveals how unisexual flowers develop and dioecy emerges, Science (2015). DOI: 10.1126/science.aac8370