雌雄异株植物性别决定相关功能基因研究进展

1、植物遗传资源学报2008,9(1:125129Journal of Plant Genetic Res ources雌雄异株植物性别决定相关功能基因研究进展高武军1,2,姬艳克1,肖理会1,洪达1,邓传良1,卢龙斗1(1河南师范大学生命科学学院,新乡453007;2河南大学生命科学学院,开封475001摘要:雌雄异株植物是植物性别决定机制及演化的重要研究材料,通过分子生物学技术分离性别决定的相关基因是揭示雌雄异株植物性别决定的关键问题之一。近10年来已经分离到了多个性染色体连锁的基因DD44X /Y 、S lX /Y3、S l X /Y4、M ROS3、SL ZPT221、SL ZPT421。

2、尽管这些基因都存在于性染色体上,但是对其功能分析发现这些基因并不是性别决定的关键基因,而是性别决定控制系统中的成员之一。另外MADS 2box 基因也和性别特征器官的建成有关。本文对这些基因的结构及在性别决定中的功能研究进行综述和分析,并对可能的新的研究方向进行评价。关键词:雌雄异株;功能基因;性别决定收稿日期:2007209221修回日期:2007211222基金项目:河南省自然科学基金项目(2006180014作者简介:高武军,副教授。E 2mail:gao 1wujun yahoo .com 1cn通讯作者:卢龙斗,教授,硕士生导师Research Progress of Sex Det

3、erm i n ati on Assoc i a ted Functi on Genes i n D i oeci ous Pl antsG AO W u 2jun1,2,J I Yan 2ke,X I A O L i 2hui 1,HONG Da 1,DENG Chuan 2liang 1,LU Long 2dou1(1College of L ife Science,Henan N or m al U niversity,X inxiang 453007;2College of L ife Science,Henan U niversity,Kaifeng 475001Abstract:D

4、 i oeci ous p lants are i m portant materials of elucidating the mechanis m and evoluti on of p lant sex de 2ter m inati on .Separating sex deter m inati on related genes by molecular bi ol ogy technique is one of the key issue on revealing sex deter m inati on of di oeci ous p lants .Many sex deter

5、 m inati on related genes such as DD44X /Y,S lX /Y3,S lX /Y4,M ROS3,SL ZPT221and SL ZPT421were separated in the recent ten years .These genes are not key genes in sex deter m inati on although l ocated on sex chr omos ome .MADS 2box genes were is olated fr om many di oeci ous p lants,which were rela

6、ted cl osely with constructi on of unisexuality rep r oducti on organs .I n this article,the studyon the construct and the functi on of genes in sex deter m inati on was revie wed and analyzed,and the ne w possible re 2search directi on was evaluated .Key words:D i oeci ous;Functi on gene;Sex deter

7、m inati on生物性别的形成主要经过性别决定和性别分化两个过程,而这两个过程在植物和动物之间明显不同。动物的性别决定在胚胎形成的时候就已经被决定,并且营养器官和生殖器官在形态发生上是分开的;而高等开花植物中,成熟的胚胎并不具有性别的特征,没有特定的生殖细胞,只是在发育过程中,形成具有分化能力的分生组织,性器官由这些分生组织分化而来。从性别决定理论来说,哺乳动物的性别决定和分化的理论体系模型已基本建立,即以SR Y /sry 基因决定的多个基因参与的多层次调控模式1,2。而高等植物的性别决定仍未有可以广泛接受的理论体系。在对植物的性别研究中,雌雄异株植物虽然在植物界所占比例很少,但却是研究

8、植物性别决定机制及演化的重要材料。目前研究者通过对一些典型的雌雄异株植物如白麦瓶草(S ilene la ti 2folia L.、酸模(R um ex acetosa L.、芦笋(A spa ragus研究,发现了数个在性别决定及分化方面具有关键植物遗传资源学报9卷作用的基因(表1。表1已经发现的雌雄异株植物性染色体上的相关基因Table1The rel a ted genes i n sex chrom oso m e of d i oec i ous pl an ts detected presen tly植物材料Species 基因Genes基因定位Gene l ocati on表达部

9、位Exp ressi on产物Pr oduti onS.latifolia L.DD44X X染色体长臂开放的花蕾、叶22DD44Y Y染色体短臂叶、成熟花22S lY1Y染色体雌雄花WD蛋白S l X1X染色体雄花WD蛋白S l X4 S lY4X染色体Y染色体雌雄花蕾、叶、茎叶、茎、雄花蕾2,62二磷酸果糖酶M ROS3Y Y染色体2222M ROS3X X染色体2222S lSP3Y Y染色体雄株花蕾、花22 M.polym orpha OR F162Y染色体雄性生殖器官环指蛋白22表示未评价22uniditified1S lX/S lYD elichère等3利用染色体微分离

10、方法,用Y染色体特异探针从白麦瓶草的雄花c DNA文库中筛选到第一个性别相关的活性基因S lY1(S.latifolia Y2 gene1,该基因主要在雄性花器官表达,在雌性花器官中不表达,其c DNA序列长度为1785bp,同时发现S lY1在X染色体上有同源性为99%的长度为1739bp的同源序列S lX1,它们编码几乎相同的WD2 repeat蛋白,其功能可能与促进细胞分裂和早期细胞分化相关。此后研究者又分离到一对性染色体连锁基因S l X/S lY4,其产物是2,62二磷酸果糖酶4。以无性突变体和两性化突变体为材料进行的基因组Southern印迹分析表明,S lY1和S lY4不定位于

11、Y染色体上含性别决定位点的区域上,这说明它们本身并不是性别决定基因,但对其功能、时空表达及其调控等方面的研究还是非常有意义的。它们的发现说明在白麦瓶草的Y染色体上除了涉及性别决定和雄性可育的基因外,还存在其他活性基因,如在X染色体上含同源序列的持家基因,这一情况与人类的Y染色体非常类似5。而且更有意义的是,由于S lX1/ S lY1在发育停滞的性器官(如雌花中的雄蕊和雄花中的心皮中不表达,很可能它们或其上游基因受到性别决定基因的控制。因此,通过启动子分析等研究就有可能鉴定与S lY1和S lX1相互作用的蛋白质,从而找到性别决定基因。对S l X1和S lY1的序列变异率进行的分析发现S l

12、Y1的变异要明显低于S lX1,S l X1的多态性比S lY1高20倍,对这种序列变异率的差异分析可以进一步研究性染色体的进化机制6。2DD44X/DD44YMoore等7从白麦瓶草中分离得到一个性染色体连锁的基因DD44(differen tial d isplay44,该基因包括6个外显子(693bp和5个内含子(3436bp。遗传作图及荧光原位杂交的结果均发现DD44Y基因位于Y染色体上并且和心皮抑制位点连锁, DD44X位于X染色体的长臂末端,这一结果说明Y 染色体上出现了染色体重排,这种重排可能有利于Y染色体的分离6。序列分析表明DD44与线粒体ATP合成酶的必要成分寡霉素敏感转移

13、蛋白同源, RT2PCR和Northern结果发现DD44在雌雄株的开放花蕾、叶片、成熟花中均表达,说明尽管该基因是性染色体连锁的,但并不是性别决定的关键基因。3M RO S3Matsunaga等8通过差异筛选雌雄花蕾的c D2 NA文库发现了4个M ROS(male rep r oductive organ2 s pecific基因,他们特异地在雄性生殖器官中表达:花粉(M ROS1,花粉成熟的后期(M ROS2,成熟花粉囊(M ROS3,雄性花蕾发育的早期阶段(M ROS4。其中M ROS3是一个雄性特异的基因,其c DNA全长1174bp,包含一个214个氨基酸的开放阅读框,编码23kD

14、a的多肽(等电点为6.1。虽然Northern分析发现其mRNA仅在雄性生殖器官中存在,但是基因组的Soutern杂交分析表明M ROS3基因在雌雄基因组中都存在8。染色体定位发现该基因在X染色体上存在两个串联的拷贝,同时也在常染色体上有额外的拷贝。通过和拟南芥中的M ROS基因的同源性比较分析发现M ROS是个6211期高武军等:雌雄异株植物性别决定相关功能基因研究进展低拷贝基因家族,该家族的基因可能和花粉发育相关9。利用单链构象多态性分析技术发现仅仅M ROS3基因定位于X染色体上,并且在Y染色体上存在一个兼并的同源基因。而且基于PCR的单花粉分型分析发现M ROS3位于常染色体或者是X

15、和Y染色体的同源区域10。此后也发现了一些和M ROS3同源的基因如M en2911和CCLS2412。但均没有发现有力的证据证明这些基因特异的存在于Y染色体上或者是性别决定的关键基因。4O R F162Okada等13从地钱(M archantia polym orpha中也发现了一个Y染色体上的雄性特异基因,其编码框在雄性基因组中存在数百个拷贝,其编码的162个氨基酸的蛋白质包含一个环指(ring finger区。该基因在雄性性别器官中特异表达,OR F162特异地在Y染色体上多拷贝累积,这种Y染色体的重复序列在其他高等开花植物和动物中没有相似的序列,说明这些序列是独立起源的。因此,该基因

16、也可能是目前为止植物中发现的唯一仅存在于Y染色体上的多拷贝基因13。也最可能是负责精子发生的雄性特异功能基因。而对于该基因的转录模式和蛋白质的功能却没有进一步的分析。上述基因虽然可以作为雄花发育阶段的有益标记,但是仍没明确的证据表明这些基因的产物是特异的性别决定关键蛋白质。从Y染色体上分离编码序列的研究结果也发现了一些Y染色体上的基因1416,但仍然没有发现控制心皮退化和调控雄蕊发育的基因。虽然,在白麦瓶草的Y染色体上发现的几个基因如DD44X/Y、S l X/Y3、S l X/Y4在X染色体或者其他常染色体上都发现了其相同的拷贝,为什么它们仍没有发生重组呢?这可能是因为发生了性染色体的结构变

17、异而造成的不能重组,但最近的研究结果却发现是由于重组的抑制发生后才在性染色体上发生了倒位。至于是什么原因引起的重组抑制仍不清楚。通过缺失突变的方法对白麦瓶草的Y连锁基因及其在X染色体上的拷贝进行的位置比较分析结果发现,这几个基因在X染色体上的顺序是PAR、S lX1、DD44X、S lX3和S l X43,13,17,18,而且在Y 染色体上这些基因的顺序有很大的不同,在Y染色体的短臂上的顺序是PAR、S lY1、S lY4,在长臂上的顺序是着丝粒、S lY3、DD44。显然顺序上的差异是由于染色体的重排引起的。Y染色体上基因的顺序可以作为Y染色体上发生倒位的信号。并且由于DD44X/Y、S

18、lX/Y3、S lX/Y4属于几个不同的进化层面,所以倒位的发生是在重组抑制之后发生的。另一个可能的解释是在Y染色体上发生了几个独立的重排事实从而引起了最后的倒位。5M AD S2box基因在通过差减杂交、染色体微分割等方法仍不能分离到性别决定的基因的同时,研究者也将目标集中在一些控制性别表现的关键器官花的发育相关基因上。其中MADS2box基因是重要的候选基因家族。A ins worth等19从酸模中分离并获得了两个B 族功能基因RAD1,RAD2和一个C族功能基因RA P1,并对它们的表达进行了详细的研究。研究表明,B功能基因在酸模雄花中的表达与雄蕊的发育相一致;C功能基因RA P1在幼期

19、的雄花原基的第三、第四轮花中表达。根据ABC模型可以推测C功能基因单独决定了心皮的发育20。从白麦瓶草中也分离到5个B族MADS2box同源异型基因,这些基因均参与其性别分化,但是没有证据证明它们是否位于性染色体上21。Park等22从芦笋中分离并鉴定了AOD EF基因,它属于B族功能基因。在雌雄器官分歧发生之前的阶段,AOD EF基因在雌雄花的第二、三轮花器官中强烈表达,而过渡到单性花发育阶段后,AO2 D EF的表达在雌雄花中的表达出现了差异:在雄花中,AOD EF基因在内轮被片和雄蕊中表达,而在雌花中,AOD EF表达产物从雄蕊中消失,仅在被片中检测到。AOD EF基因在雄花中的表达与雄

20、蕊的发育相吻合,而在雌花中表达的失活与其中雄蕊的发育停滞相关联。这些结果表明,在芦笋发育的后期阶段即单性花时期,性别决定基因直接或间接地控制着AOD EF的表达22。但是也有报道发现芦笋中的MADS2box基因并不直接参与性别决定,只是促使了芽顶端从营养阶段向生殖阶段的转变23。Pfent等24从菠菜中分离并获得了两个B族功能基因Sp A P3和S pP1。这两个B族花器官特征基因在雄花原基中强烈表达而在雌花中不表达。另外在唐松草属中分离的MADS2box基因的B 类基因同源基因几乎是雄性特异的,而C基因同源基因在整个发育过程中在雄蕊和心皮中都存在。这一点与其他雌雄异株植物不同19;而在白麦瓶

21、草721植物遗传资源学报9卷中,B功能基因在雄花中的表达更接近花的中间部位,导致一个较小的第四轮花的产生,使雌蕊的发育受到抑制21。唐松草属的花发育过程表明性别决定很有可能作用在器官特征的上游,或者直接作用在生殖型器官特征基因或它们的调控因子上。由此看来,虽然目前从雌雄异株植物中分离的MADS2box基因在性别决定和分化中的功能存在较大的差异,但是几乎所有的证据都可以说明B、C类MADS2box基因确实和雌雄异株植物的性别决定或分化存在直接或间接的相关性,但是到目前仍没有直接的证据表明MADS2box基因在某种雌雄异株植物中起决定性别的作用。6存在问题及展望在雌雄异株植物的性别决定机制研究中,

22、白麦瓶草是目前被广泛接受的最佳的模式材料,对其性别决定功能基因的研究也相对最为充分。虽然白麦瓶草也具有和人类一样形态上差异明显的Y染色体,但是从目前的研究结果来看二者在功能上显然存在很大的差异。人类的Y染色体上特异的存在睾丸决定基因来决定男性性别分化和发育,尤其是在X染色体或者其他的常染色体上不存在同源基因25,因此人类的Y染色体是一个进化上相对独立的功能单位。而到现在为止仅仅从白麦瓶草Y染色体上分离到少数的基因,更为遗憾的是,这些基因都在X染色体或其他的常染色体上存在同源基因,不是Y染色体特异的基因,显然也不是雄性决定的关键基因。因此白麦瓶草Y染色体的基因组成对于雄性发育来说不是特别重要的,

23、而且Y染色体也不是一个重要的相对独立的功能体。这也可能是难以从雌雄异株植物中分离到性别决定关键基因的原因。其次,雌雄异株植物性别表现及其可能的机制的复杂性也阻碍了对性别决定基因的分离和研究。比如尽管从符号上XY是相同的,但是不同的雌雄异株的XY却差异很大。其进化策略、功能、结构上的差异还未知。从分子机制上来说其变异也很大,属间、种间、甚至种内都不同。这在动物的性别决定中也有体现。如进化程度较低的果蝇的sxl基因在D rosophila和其他种的果蝇中都存在,但是该基因在前者中是主要的性别控制基因,在后者中没有控制性别的功能26。要更好地揭示雌雄异株植物的性别之谜,由于缺乏基因组的详细信息,因此

24、,首先要系统地研究以获得更多的雌雄异株植物性别发育的基础资料,如对一个属或一个科内的雌雄异株植物进行细胞学、发育学、遗传学层面的系统比较。其次应该充分利用两个有利的条件,一是利用拟南芥的研究成果,尤其是拟南芥的花的突变体的研究成果;二是利用动物的性别研究的成果。由于动物性别决定研究的进展普遍超前于植物,而且由于同源的基因在不同的物种中其产物功能并不一定是同源的,即使是亲缘关系很近的种27。因此在动物性别决定机制研究中所采用的方法及新的观点更值得我们关注。在植物中性染色体在不同的雌雄异株植物中是多样的,不仅存在XY、Z W性染色体,而且即使是XY性染色体,其大小、结构、功能也存在很大的差异,这种

25、性染色体的多态性雌雄异株植物和动物是一致的;其次雌雄异株植物理论上的性别决定机制的多态性和动物中也是一致的。显然在性染色体的研究中动植物更加具有相似性。另外,DNA甲基化28、m i RNA29,30、组蛋白的乙酰化31,32也被发现可能参与植物生殖器官的分化过程,进而参与植物性别的决定与调控。尽管目前关于植物性别研究的表观遗传学证据还极少,但是从表观遗传学方向对雌雄异株植物性别决定机制进行研究可能将是一个新的有意义的研究方向。参考文献1Sinclair A H,Berta P,Pal m erM S,et al.A gene fr om the hu2man sex deter m inin

26、g regi on encodes a p r otein with homol ogy t o aconserved DNA2binding motif.Nature,1990,346:240244 2Gubbay J,Collignon J,Koopman P,et al.A gene mapp ing t othe sex2deter m ining regi on of the mouse Y chr omos ome is a me m2ber of a novel fa m ily of e mbryonically exp ressed genes.Nature,1990,346

27、:2452503Delichère C,Veuskens J,Hernould M,et al.S lY1,the first ac2tive gene cl oned fr om a p lant Y chr omos ome,encodes a WD2re2peat p r otein.E MBO J,1999,18:416941794A tanass ov I,Delichère C,Filat ov D A,et al.Analysis and evo2luti on of t w o functi onal Y2linked l oci in a p lant s

28、ex chr omos omesystem.Mol B i ol Evol,2001,18:216221685Renner S S,R icklefs R E.D i oecy and its correlates in the fl ower2ing p lants.Am J Bot,1995,82:5966066Filat ov D A,Moneger F,Negrutiu I,et al.Low variability in aY2linked p lant gene and its i m p licati ons f or Y chr omos ome evolu2ti on.Nat

29、ure,2000,404:3883907Moore R C,Kozyreva O,Lebel2Hardenack S,et al.Genetic andfuncti onal analysis of DD44,a sex2linked gene fr om the di oeci ousp lant S ilene latifolia,p r ovides clues t o early events in sex chr o2mos ome evoluti on.Genetics,2003,163:3213348Matsunaga S,Ka wano S,Takano H,et al.Is

30、olati on and devel2opmental exp ressi on of male rep r oductive organ2s pecific genes inJ,1996,10:6796899Kejnovsky E,V rána J,Matsunaga S,et al.Localizati on of male2s pecifically exp ressed M ROS genes of S ilene latifolia by PCR onfl ow2s orted sex chr omos omes and aut os omes.Genetics,2001,

31、158:126912778211期高武军等:雌雄异株植物性别决定相关功能基因研究进展10Matsunaga S,Schutze K,Donnis on I S,et al.Single pollen typ2ing combined with laser2mediated mani pulati on.Plant J,1999,20:1811Roberts on S E,L i Y,Scutt C P,et al.Spatial exp ressi on dy2nam ics of Men29delineate the third fl oral whorl in male and fe2ma

32、le fl owers of di oeci ous S ilene latifolia.Plant J,1997,12:15516812H innisdaels S,Lardon A,Barbacar N,et al.A fl oral thirdwhorl2s pecific marker gene in the di oeci ous s pecies white camp i2on is differentially exp ressed in mutants defective in sta men de2vel opment.PlantMol B i ol,1997,35:1009

33、101413Okada S,Sone T,Fujisa wa M,et al.The Y chr omos ome in theliver wort M archantia polym orpha has accumulated unique repeatsequences harboring a male2s pecific gene.P NAS,2001,98:9454945914J itka Z,Bohuslav J,I oan N,et al.Comparis on of the X and Ychr omos ome organizati on in S ilene latifoli

34、a.Genetics,2005,170:1431143415Filat ov D A.Evoluti onary hist ory of S ilene latifolia sex chr omo2s omes revealed by genetic mapp ing of four genes.Genetics,2005,170:97597916Filat ov D A.Substituti on rates in a ne w S ilene latifolia sex linkedgene,S lSX/Y.Mol B i ol Evol,2005,22:40240817N icolasM

35、,Marais G,Hykel ováV,et al.A gradual and ongoingp r ocess of recombinati on restricti on in the evoluti onary hist ory ofthe sex chr omos omes in di oecius p lants.Pl oS B i ol,2005,3:475618Ryuji S,Haruka O,Fum iya K.Exp ressi on of ASK12like genes inarrested sta mens of female S ilene latifoli

36、a p lants.J Plant Res,2006,119:329336and female fl owers of the di oeci ous p lant s orrel show differentpatterns of MADS box gene exp ressi on.Plant Cell,1995,7:1583159820Coen E S,Meyer owitz E M.The war of the whorls:genetic inter2acti ons contr olling fl ower devel opment.Nature,1991,353:313721Ha

37、rdenack S,Ye D,Saedler H,et al.Comparis on ofMADS boxgene exp ressi on in devel op ing male and fe male fl owers of the di2oeci ous p lant white ca mp i on.Plant Cell,1994,6:1775178722Park J H,Ishika wa Y,Yoshida R,et al.Exp ressi on of AOD EF,Mol B i ol,2003,51:86787523Losa A,Caporali E,Spada A.AOM

38、3and AOM4:t w o AMDSbox genes exp ressed in rep r oductive senutures of Asparagus offici2nalis.Sex p lant Rep r od,2004,16:21522124Pfent C,Pobursky K J,Sather D N,et al.Characterizati on ofSp APETALA3and SpPISTI LLATA,B class fl oral identity genes inSpinacia oleracea,and their relati onshi p t o sexual di m or phis m.Dev Genes Evol,2005,215:13214225Lahn B T,Pears on N M,Jegalian K.The humanY chr omos ome,in the light of evoluti on.Nat Rev Genet