赤霉素途径重塑伴随乙烯驱动的 Cannabis sativa 性别逆转

《Frontiers in Plant Science》：Gibberellin pathway remodeling accompanies ethylene-driven sex reversal in Cannabis sativa

　　

引言：Cannabis sativa 的性别表现由 XX/XY 性染色体决定，但仍具有可塑性；乙烯抑制可在 XX 植株上诱导雄花，而乙烯释放可在 XY 植株上诱导雌花。尽管乙烯是该过程的核心调控因子，但赤霉素（GA）途径对大麻性别逆转的贡献仍不清楚。方法：研究人员利用基于直系同源（orthology）的搜索，在 C. sativa 中重建了GA生物合成、调控和信号转导途径，并通过覆盖营养期基线、处理后早期叶片和发育中花蕾的转录组学分析，对化学诱导性别逆转期间GA相关基因的表达进行了分析。结果：基于直系同源的搜索鉴定出50个假定的 C. sativa GA相关基因，分布在整个基因组中，其中11个位于X染色体上，包括6个位于非重组区。第0天，XX和XY植株的表达谱大致相似；第1天轻微扰动；第14天则明显按花表型分化。早期反应仅限于乙烯利处理的XY植株中CsGA3ox1的下调，以及硫代硫酸银（STS）处理的XX植株中CsGASA1的下调。到第14天，性别逆转与CsGA1、多个GA20ox直系同源基因、CsGID1B、CsSLY2以及若干GASA基因的差异表达相关，表明GA相关转录发生广泛重塑。讨论：这些结果表明，乙烯途径的操纵与GA相关基因表达的时间和表型依赖性变化相关，提示GA途径对大麻性别逆转有所贡献。

论文解读：赤霉素途径重塑伴随乙烯驱动的 Cannabis sativa 性别逆转

Cannabis sativa L. 是典型的雌雄异株植物，性别由 XX/XY 性染色体决定，但其性别表现具有可塑性——通过化学处理可以诱导 XX 植株产生雄花（诱导雄花，IMF），诱导 XY 植株产生雌花（诱导雌花，IFF）。乙烯是这一过程的核心调控因子，但赤霉素（GA）途径是否参与及如何参与性别逆转仍不清楚。已有研究在菠菜（Spinacia oleracea）等物种中证明 GA 通过 DELLA 蛋白调控雌雄花发育，而在大麻中，虽然全基因组关联研究在性别决定 QTL 中发现了 DELLA 编码基因，但 GA 途径在大麻性别逆转中的作用一直缺乏系统描述。因此，本研究在前期乙烯介导性别可塑性转录组框架的基础上，重建了大麻 GA 生物合成、调控与信号转导途径，并分析其在化学诱导性别逆转过程中的表达动态。

研究人员利用基于直系同源（orthology）的搜索（OrthoFinder 和 BLASTP），以拟南芥 TAIR10.1 为参考，在大麻‘Pink Pepper’参考基因组及‘Otto II’单倍型 X/Y 染色体中鉴定了 50 个假定 GA 相关基因。转录组数据来自 Monthony et al. 前期研究：三个大麻基因型（La Rosca; LR、Panama Pupil V4; PP、Deadly Kernel; DK）的 XX 和 XY 营养克隆共 46 株，其中 XX 植株用 3 mM 硫代硫酸银（STS）处理诱导雄花，XY 植株用 500 mg/L 乙烯利处理诱导雌花，分别在处理前（day 0）、处理后 18 小时（day 1）采集叶片，以及处理后第 14 天采集未成熟花进行 RNA 测序。差异表达分析使用 DESeq2，显著阈值设定为调整后 P ≤ 0.05 且 |log2FC| > 1。

结果部分：

**Primary GA-related genes are present in the C. sativa genome**

通过直系同源搜索，共鉴定出 50 个假定 GA 相关基因，其中 46 个在转录组数据中表达。这些基因覆盖了 GA 从早期生物合成（CsGA1、CsGA2、CsGA3、CsKAO1/2）、后期修饰（CsGA20ox、CsGA3ox、CsGA2ox、CsCYP714A1、CsCYP72A219A-D）到信号感知（CsGID1B、CsGID1C）、DELLA 调控（CsGAI、CsSLR1、CsSLY1/2、CsSPY）和下游响应（GASA 家族）的完整途径。染色体定位显示，11 个基因位于 X 染色体，其中 5 个位于假常染色体区（PAR），6 个位于非重组区（NRR）；Y 染色体 NRR 中未检出 GA 相关基因。

**Transcriptome results**

主成分分析（PCA）显示，在 day 0 营养生长阶段，XX 和 XY 植株的 GA 相关基因表达谱基本相似。day 1 叶片中，处理后表达谱发生轻微扰动，但未按染色体性别或处理表型聚集。到 day 14 未成熟花阶段，FF（XX 未处理）与 IFF（XY 乙烯利处理）样本相互重叠，表明聚类主要由花表型而非性染色体基因型驱动；IMF（XX STS 处理）与 FF 明显分离，表明乙烯抑制后向雄花表型的转变伴随着 GA 相关转录的广泛变化。

在早期叶片响应中，仅有两个基因发生显著差异表达：乙烯利处理的 XY 植株中，CsGA3ox1（编码 GA 生物合成最后一步的 GA3-氧化酶）显著下调；STS 处理的 XX 植株中，CsGASA1（编码 GA 刺激转录本）显著下调。第 14 天，在乙烯利对比（MF vs. IFF）中，CsGA1、CsGA20ox2、CsGA20ox2-like、CsGA20ox1D、CsGA20ox1D-like 和 CsGA20ox-like2 以及 CsGA3ox3A 在未处理的 MF 中表达显著高于 IFF；CsSLY2 则相反，在 MF 中表达较低。多个 GASA 家族基因（CsGASA5、CsGASA6、CsGASA10、CsGASA11）在 MF 中高表达，而 CsGASA14 在 IFF 中高表达。在 STS 对比（IMF vs. FF）中，CsGA20ox1D-like 和 CsGA20ox-like2 在 IMF 中显著上调，与乙烯利对比中雄性表型相关基因表达趋势一致；CsCYP714A1 在 IMF 中下调；CsGASA7 在 IMF 中上调。这些结果表明，发育中花组织内 GA 相关转录在性别逆转过程中发生广泛重塑，且多个 GA20ox 直系同源基因与雄性花表型呈正相关。

讨论部分指出，乙烯途径操纵与 GA 相关基因表达的时间和表型依赖性变化相关。早期叶片响应极为有限，而第 14 天发育花中差异表达基因显著增多，提示 GA 相关变化可能主要发生在花发育阶段。CsGA20ox 多次与雄性表型关联，且 CsGA20ox1D-like 定位于 X 染色体约 61.4 Mb 处，该区域被认为可能具有性染色体特异的调控动态。CsCYP714A1 在 IMF 中下调，由于该基因编码将 GA12 转向非活性形式的细胞色素 P450 单加氧酶，其下调可能改变 GA 失活相关转录，但不能证明 GA 丰度增加。CsGID1B 和 CsSLY2 在 IFF 中高表达，暗示 GA 感知和 DELLA 降解相关组分发生变化。GASA 家族成员表达变化最为广泛，它们可响应多种激素，因此更适合作为与花表型相关的激素和发育状态标志物。此外，多个 GASA 基因位于 X 染色体非重组区，且 CsGASA1 和 CsGASA11 与报道的单性花（monoecy）位点物理距离很近，但这些定位仅是描述性结果，不证明存在共享调控或因果作用。

总之，本研究重建了大麻的 GA 途径，并表明乙烯途径操纵与性别逆转期间 GA 相关转录的重塑相关，识别出候选生物合成、信号转导和响应基因，为未来功能验证提供了基础。研究结论翻译如下：本研究重建了 C. sat