抑制植物中一个基因，使雌花转变为雄花

为了增加后代的遗传多样性和适应性，开花植物可通过多种方式来防止自花受精。其中之一是形成单性雄花和雌花，单性雄花和雌花可能在同一植株（雌雄同体）或不同植株（雌雄异株）上发育。一朵典型的雌雄同体花由四个同心轮组成：花萼、花冠、雄蕊和雌蕊。这些花器官由花分生组织内的干细胞产生，涉及了一系列的基因调控：WUSCHEL（WUS）负责维持花分生组织中的干细胞活性，一旦花器官原基形成，AGAMOUS（AG）就会抑制WUS，导致花分生组织的终止；CRABS CLAW（CRC）也可通过平行途径协同抑制WUS的表达，并控制YUCCA和TORNADO2（TRN2）以终止花分生组织。单性雄花和雌花是从雌雄同体花的祖先进化而来的，花的性别由性别决定基因控制。

葫芦科（Cucurbitaceae）的大部分植物都表现为单性花。在甜瓜（Cucumis melo）中，花最初是两性的，然后通过阻止雄蕊或心皮原基的发育进行性别决定，从而产生单性花。在遗传上花的性别决定由M、A和G基因决定，它们分别编码了CmACS-7、CmACS11和CmWIP1。

2022年11月4日，Science在线发表了法国农业食品环境研究院（INRAE）、巴黎萨克雷大学Abdelhafid Bendahmane团队及其合作者题为“The control of carpel determinacy pathway leads to sex determination in cucurbits”的研究论文。该研究在甜瓜中成功鉴定到了一个葫芦科植物性别决定的关键因子CRC，并表明 WIP1通过招募TPL以抑制CRC的表达，使雌花转变为雄花；揭示了WIP1-TPL调控CRC表达的性别决定机制。

DOI: 10.1126/science.add4250

利用正向遗传突变体筛选，该研究在甜瓜中成功分离了一个雌花到雄花的性转变突变体Little Boy（Lib）；基因定位发现，该突变体对应的基因为YABBY转录因子之一的心皮识别基因CRABS CLAW（CRC）。通过VIGS，该研究证实CRC的沉默可使雌花转变为雄花。研究人员进一步在甜瓜和黄瓜的TILLING突变体库中多个CRC功能缺失突变体，它们的纯合体都表现出雌花到雄花的转变表型（Figure 1）。

Figure 1. Lib突变体基因鉴定和表型分析

WIP1 转录因子是葫芦科植物进行性别决定的一个主要调控因子，WIP1的表达会抑制心皮原基并导致雄花的形成，而抑制WIP1的表达可使心皮发育并形成雌花。与WIP1的表达相反，该研究发现CRC在雌花蕾中高表达，而在决定发育成雄花的花蕾中表达较弱；同时，WIP1和CRC在心皮原基中显示出对立的表达模式；暗示WIP1可能是CRC表达的抑制因子。进一步研究证实，WIP1的功能缺失可诱导CRC的表达（Figure 2）。

Figure 2. CRC和WIP1在单性花中的表达

利用ampDAPseq，该研究发现CRC启动子中含有WIP1的结合序列，且该结合序列在葫芦科植物中保守。通过EMSA、ChIP-qPCR和荧光素报告实验，研究人员证实，WIP1可直接结合CRC的启动子区域并抑制CRC的表达。同时，WIP1功能突变型不能抑制CRC的表达（Figure 3）。

Figure 3. WIP1是CRC表达的抑制因子

通过酵母双杂Y2H，该研究发现了一系列与WIP1互作的蛋白，包括TPL及其类似的TPR3和TPR4。基因表达显示，TPL起主要作用。利用Ala氨基酸突变、Co-IP和Y2H，该研究显示，WIP1 N端的N1和N2基序介导了与TPL的互作；n1和n2突变体可部分阻碍它们的互作，而n1n2双突变则完全不能与TPL互作，并恢复CRC的表达。同时，TPL的VIGS、tpl突变体和WIPI N1或N2的突变，都表现为雄花向雌花转变的表型。另外，WIP1-TPL通过组蛋白去乙酰化抑制CRC启动子的活性（Figure 4）。

Figure 4. WIP1招募TPL以抑制CRC的表达

花分生组织终止是心皮发育的先决条件。该研究发现，6阶段的雌花中WUS的表达极低，但同期雄花心皮原基中WUS的表达水平很高。另外，三个YUC基因和TRN2的表达分别在雌花和雄花中上调了。

总而言之，该研究成功鉴定到了一个葫芦科植物性别决定的关键因子CRC，并揭示了WIP1-TPL介导CRC表达的性别决定机制 ：在单性花中，促进雄花和雌花发育的基因分别为WIP1和ACS7，它们都能在心皮原基中表达；WIP1通过招募TPL以抑制CRC的表达，进而干扰心皮的决定性从而诱导雄花发育；而CRC的表达可促进心皮的决定性，ACS7在心皮决定性后表达并诱导雌花发育（Figure 5）。

Figure 5. WIP1-TPL介导CRC表达的性别决定机制

来源：MP植物科学

转自：“iPlants”微信公众号

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