New Phytologist | 基因編輯為獼猴桃雌雄同株高效育種提供新機遇
自然界中大部分植物的花屬於兩性花，既有雄蕊又有雌蕊，如桃花等。但有些植物，如獼猴桃、玉米、黃瓜等，它們的花只含有雄蕊或者只含有雌蕊，被稱為單性花。如果同一植株上既有雄花又有雌花稱為雌雄同株，如玉米；相反，如獼猴桃植株上只含有一種性別花被稱為雌雄異株。
雌雄異株植物的分化機制常用“雙突變模型”來解釋，該理論認為雌雄異株的單性花起源於祖先的兩性花，雌性株系原X染色體上的一個促雄因子（M）突變了，只產生了雌蕊；雄性株系的原Y染色體獲得了雌性的抑制子（SuF），雌蕊不能發育，只能產生雄蕊。但不同支系植物的促雄因子和抑雌因子可能並不相同。
2018年4月，日本京都大學Takashi Akagi團隊透過全基因組測序和轉錄組分析，鑑定到了獼猴桃的抑雌因子，該基因定位於Y染色體上，抑制雄花中雌蕊的發育，進而導致雄性花的產生。研究人員將該基因命名為害羞女孩（Shy Girl，SyGl），但此次研究沒有找到雌性花中特異抑制雄性花器官發育的基因(Takashi Akagi et al. The Plant Cell, 2018)。
2019年8，該團隊研究人員對種間雜交的F1群體的進行重測序，並透過分析早期花葯的轉錄組資料，成功克隆了獼猴桃中位於Y染色體特異區域的促雄因子，並將其命名為友好男孩（Friendly boy，FrBy)。該基因是維持雄蕊發育所必需的，將該基因轉入雌性獼猴桃中，產生了兩性花獼猴桃，這是首次依靠人為方式產生的兩性花植物(Takashi Akagi et al. Nature Plants, 2019)。
對雄性植株進行基因組重測序，並結合轉錄組分析，發現Y染色體特異區域包含的基因中只有FrBy和SyGl是雄性特異且顯著表達的。進一步在人工轉基因創制的兩性花獼猴桃品種中發現，Y染色體上只含有促雄因子FrBy不含有抑雌因子SyGl，從而保證了雌蕊和雄蕊都能正常的發育。且將FrBy轉入到雌性品種中會產生兩性花，該兩性花自交可育，表明雄性育性正常。
同期的研究表明，SyGl 在雌蕊中的高表達，會減弱細胞分裂素的訊號，進而抑制CLV-WUS和CUC-STM 途徑，這兩個途徑在心皮的發育過程中發揮重要作用。而外源施加細胞分裂素，可以部分恢復雄性花柱頭的發育。有意思的是，在常染色體上發現了一個SyGl基因的複製Achn384741，它在花器官的各個組織中都不表達，卻在幼嫩葉片中表達量豐富。將Achn384741在擬南芥和菸草中過表達，也會導致心皮的退化，說明SyGl和Achn384741蛋白的功能相同，只是表達模式發生了變化。
以上研究提出了促雄因子FrBy和抑雌因子SyGl調控獼猴桃性別分化的模型，在早期的兩性花祖先中，FrBy的失活產生了原始的X染色體，使得雌性植株中雄蕊敗育，而SyGl的獲得產生了原始Y染色體，使得雄性植株中雌蕊敗育。研究結果加深了我們對植物雙因子性別決定系統的理解，也為雌雄異株植物的育種提供了新的方法。
近日，紐西蘭植物與食品研究所的Erika Varkonyi-Gasic等人在New Phytologist線上發表了題為“Shy Girl, a kiwifruitsuppressor of feminization, restricts gynoecium development via regulation ofcytokinin metabolism and signaling”的研究論文，證實了獼猴桃抑雌因子ShyGirl透過調節細胞分裂素代謝和訊號轉導來限制雌蕊發育。
研究人員使用CRISPR/Cas9誘變中華獼猴桃'Bruce'雄株中能抑制開花的CENTRORADIALIS基因CEN和CEN4，以及抑雌因子SyGl。CEN和CEN4的雙等位基因突變產生了快速開花的雄性植物，同時靶向CEN4和SyGl產生了快速開花的雌雄同體植株，且雌蕊和雄蕊均可育，這為SyGl在抑制雌蕊發育的作用提供了證據。對子房組織的轉錄組分析確定了有助於心皮發育的基因，並揭示了SyGl影響細胞分裂素的分佈以及細胞分裂素代謝和訊號傳導相關基因的表達。經CEN4/SyGl基因敲除產生的植株可以自花授粉併產生速生的後代。
總之，結果清楚地表明，SyGl在獼猴桃性別決定中的主要雌性抑制因子。轉錄組分析鑑定到了影響果實性狀和改善果實品質的基因。在獼猴桃等異交多年生植物中，用於誘導快速開花和雌雄同體的基因編輯技術為加速育種和快速篩選無轉基因植物提供了機會，這有望對基礎研究和水果作物改良產生重大影響。
參考文獻
[1] Akagi, T., Henry, I. M., Ohtani, H.,Morimoto, T., Beppu, K., Kataoka, I., & Tao, R. (2018). A Y-encodedsuppressor of feminization arose via lineage-specific duplication of acytokinin response regulator in kiwifruit. The Plant Cell,tpc-00787.
[2] Akagi, T., Pilkington, S.M.,Varkonyi-Gasic, E. et al. Two Y-chromosome-encoded genes determine sex inkiwifruit. Nat. Plants 5, 801–809 (2019). https://doi.org/10.1038/s41477-019-0489-6.
[3] Erika Varkonyi‐Gasic, Tianchi Wang, JanineCooney, Subin Jeon, Charlotte Voogd, Mikaela J. Douglas, Sarah M. Pilkington, TakashiAkagi, Andrew C. Allan. Shy Girl, a kiwifruit suppressor of feminization,restricts gynoecium development via regulation of cytokinin metabolism andsignaling. New Phytologist, https://doi.org/10.1111/nph.17234.