杜仲花性别二态性的多组学整合分析揭示B类MADS-box基因在单性花发育中的关键作用

本研究针对杜仲(Eucommia ulmoides)性别二态性的分子机制这一科学问题，通过整合转录组、代谢组和功能基因分析，首次系统揭示了该物种花器官中8,811个性别偏倚基因的表达特征和123种差异代谢物的积累模式，鉴定出两个参与单性花发育的B类MADS-box基因(EuMADS39和EuMADS28)，其异源共表达可增加拟南芥雄蕊数量。研究成果为理解植物性别分化机制提供了新见解，发表于《BMC Plant Biology》。

　　

在植物王国中，性别分化一直是个迷人的进化谜题。杜仲这种具有重要药用价值的雌雄异株植物，其雄花和雌花形态差异显著——雄花呈绿色簇生状，雌花则为黄棕色瓶状，但营养器官却难以区分性别。更令人困惑的是，虽然已知MADS-box转录因子参与性别分化过程，但杜仲初级和次级性别二态性的调控机制仍不清楚，特别是B类MADS-box基因在单性花发育中的功能尚未阐明。

西北农林科技大学等单位的研究人员开展了一项开创性研究，首次通过多组学整合分析揭示了杜仲性别二态性的分子基础。研究发现花器官中存在8,811个(43.72%)性别偏倚基因，远高于叶片中的116个(0.078%)，其中包含两个雄偏基因和四个雌偏基因在花叶组织中均呈现一致性表达。代谢组分析鉴定出123种差异积累代谢物，其中类黄酮是主要的性二态代谢物类群。特别重要的是，研究人员证实AP3-like EuMADS39和PI-like EuMADS28这两个B类花器官特征基因的蛋白产物能在细胞核内相互作用，当在拟南芥中共同表达时可使雄蕊数量从6个增至7个。该成果发表于《BMC Plant Biology》。

研究采用的主要技术方法包括：对3株雄株和3株雌株杜仲的花器官进行转录组测序(RNA-seq)和非靶向代谢组分析(UPLC-QTOF/MS)；通过酵母双杂交(Y2H)验证蛋白互作；构建GFP标记载体进行亚细胞定位；利用农杆菌介导法获得转基因拟南芥株系；采用qRT-PCR验证基因表达。

研究结果部分的重要发现包括：

"花器官中性别偏倚的转录组和代谢组"显示，雄偏基因主要富集于碳水化合物代谢和苯丙烷生物合成通路，而雌偏基因则集中在光合作用相关通路。代谢组PCA分析清晰区分了雌雄花样本，鉴定出32.45%的代谢物存在性别差异积累，其中类黄酮生物合成通路(map00941)最为显著。相关性网络分析发现1,094个基因与雄偏代谢物柚皮素(naringenin)相关，1,372个基因与雌偏代谢物芦丁(rutin)相关。

"性别对花和叶组织基因表达的影响"揭示，19个基因在叶和花组织中均表现出相同的性偏表达模式，包括两个雄偏基因和四个雌偏基因。分子进化速率分析显示，两个雄偏基因(ω=0.2883和0.2253)比雌偏基因(ω=0.1432和0.1056)具有更高的dN/dS值，表明雄偏基因可能经历较宽松的纯化选择。

"花器官B类MADS-box基因的功能特征"证实，EuMADS39和EuMADS28蛋白均定位于细胞核，并能形成蛋白复合体。转基因实验表明，只有共表达这两个基因才能改变花器官表型，单独表达任一个基因均无效果，这与经典的"花器官四聚体"模型一致。

研究结论指出，杜仲的性别偏倚基因主要局限在花器官而非叶片，其中六个基因在花叶组织中保持一致的性偏表达模式并受到纯化选择。代谢组分析揭示了性别特异的代谢特征，特别是类黄酮化合物的差异积累。最重要的是，B类花器官特征基因EuMADS39和EuMADS28的雄性偏倚表达及其功能验证，阐明了它们在杜仲单性花发育中的关键作用。这些发现不仅丰富了植物性别分化理论，也为杜仲这一重要药用植物的性别鉴定和品质改良提供了分子标记。

该研究的创新性体现在三个方面：首次在杜仲中开展多组学整合的性别二态性分析；发现性偏基因在花叶组织中的保守表达模式；通过转基因实验证实B类基因对单性花发育的调控功能。值得注意的是，与大多数雌雄异株植物不同，杜仲的性别二态性几乎完全局限于生殖器官，这可能与其风媒传粉的繁殖策略有关。未来研究可进一步探索性染色体组装和性别连锁基因的鉴定，以揭示杜仲性别决定的遗传基础。