“Science经典”再起波澜 | 表观遗传调控植物性别分化

文 | 曹务强

俗话说：“文似看山不喜平”。一个好故事，总要一波三折才算精彩。我们平时总爱称写paper为讲故事。其实，做科研的过程比那书中的故事要精彩百倍，经常是一波未平一波又起，充满着各种曲折离奇。

在《》一文中，介绍了日本京都大学的研究人员2014年发表在Science上的研究成果。他们以二倍体柿子为实验材料，鉴定到了一个位于Y染色体上的基因OGI。该基因编码一类小分子RNA，特异识别常染色体上的基因MeGI。MeGI属于同源异型结构域转录因子（homeodomain transcription factors）家族，特异地在发育中的雌花中高表达，抑制雄蕊的发育；而雄株Y染色体上的OGI编码的小RNA，会抑制MeGI的表达，使雄蕊正常发育，从而使二倍体柿子发生了雌雄株的分化。

古希腊哲学家芝诺曾说过这样一句话：“人的知识就好比一个圆圈，圆圈里面是已知的，圆圈外面是未知的。你知道得越多，圆圈也就越大，你不知道的也就越多。”这句话说明了人类探索未知世界的过程是永无止境的。相信每一个科研从业者都深有体会：做科研永远没有放松和喘息的机会，经常是一个问题解决了，后面还有更多的问题等着我们来回答。

在Takashi Akagi等人发表了上述Science文章后，并没有因为发表了牛文而洋洋自得，止步不前。相反，他们很快锁定了下一步的研究目标，立刻马不停蹄，开始了新一轮的攻坚战。

在Science文章的解读中我们提到，二倍体柿子为雌雄异株，它们可分为两种性别：雌株，只开雌花，染色体为XX；雄株，只开雄花，染色体为XY。而二倍体柿子的近亲六倍体柿子则不同，它们的性别有点乱，也分为两种：雌株，只开雌花，染色体为XXXXXX；雌雄同株，既有雌花也有雄花，染色体组成为XXXXYY或者XXXXXY。也就是说，和二倍体柿子不同，在六倍体柿子中，含有Y染色体的植株上既有雌花也有雄花。这到底是什么原因导致的呢？

按照Science文章中的结论，影响二倍体柿子性别分化的因素有两个，Y染色体上的假基因OGI和常染色体上的基因MeGI。那么这两个基因在六倍体柿子中的状态是什么样的呢？

研究人员首先检测了雌花和雄花中MeGI基因的表达情况，发现雌花中MeGI基因的表达量很高，而雄花中的表达量却很低；并且雄花中由MeGI衍生的小RNA很多，花中则几乎检测不到，这和二倍体柿子中的情况是一样的。另外，在六倍体柿子MeGI基因的启动子和编码区域只找到了2个SNP位点，并且这两个位点都没在基因的关键区域。以上结果说明，MeGI基因对花的性别的影响，在二倍体和六倍体柿子中是保守的。

在二倍体柿子中，Y染色体上的OGI基因编码的小RNA在雄花中高表达，降低MeGI的含量，使雄蕊正常发育。那么，是不是六倍体柿子的OGI出现了什么差错呢？令人吃惊的是，在六倍体柿子的雄花中，竟然检测不到OGI的表达。并且二者中OGI的序列相似性可达到96%，都有相似的发夹结构，暗示着他们具有相同的功能。那么，到底是什么导致OGI不表达呢？进一步研究发现，在OGI的启动子区域有一个268bp的片段插入，它是一个SINE (short interspersed nuclear element)-like反转座子原件，将其命名为Kali。Kali处表现出较高的甲基化程度，抑制了OGI的表达。

按照二倍体柿子中的理论，既然OGI基因无法表达，那么染色体组成为XXXXYY或者XXXXXY的植株中OGI的表达都应该很高，都应该为雌花才对，那么雄花是如何产生的呢？研究发现，在MeGI的启动子和基因序列上，一共发现了三个甲基化区域，并且雄花中的甲基化程度要远远高于雌花。同时，MeGI的甲基化会以某种未知的方式使smMeGI累积，这就导致了雄花中MeGI mRNA被降解，使雄蕊正常发育。进一步用甲基化抑制剂处理雄性花蕾后发现，雄蕊的发育被抑制，雌蕊的发育被促进。以上结果说明，六倍体柿子中，MeGI对花性别的影响，是受其甲基化水平调控的。

至此，六倍体柿子中，表观遗传水平对花性别的决定机制已逐渐清晰：在雌株中（XXXXXX），MeGI基因的表达量高，抑制雄蕊的发育，所结的花都为雌花。在雌雄同株中（XXXXYY或XXXXXY），Y染色体上的OGI启动子区域插入的SINE原件具有较高的甲基化程度，抑制了基因的表达；一些花枝中MeGI高表达，形成雌花；同时，随着发育的进行，一些花枝中MeGI基因的启动子和基因序列区域出现不同程度的甲基化，并以某种未知的方式激活smMeGI的累积，导致MeGI mRNA的降解，发育成雄花。由于甲基化水平可以累积和重置，因此后代花枝上所结花的性别是可以转换的。与二倍体柿子中基因对性别的决定相比，六倍体柿子通过甲基化水平影响花的性别是一种更为灵活的方式。

以上成果以"Epigenetic regulation of the sex determination gene MeGI in polyploid persimmon"为题，发表在The Plant Cell上。

不禁再一次感叹大自然的伟大！我们的作家，往往需要“批阅十载，增删五次”， 不知烧死多少脑细胞，才能创作出精彩绝伦的故事。而大自然这样一位伟大的艺术家，他的大笔随便一挥，便是一个让人拍案叫绝的传奇。而每一个史诗般的故事，都足以让全世界的科学家花费他们毕生的心血，去苦苦追寻隐藏在背后的真相！

【参考文献】

1. Akagi, T., Henry, I. M., Tao, R., & Comai, L. (2014). A Y-chromosome–encoded small RNA acts as a sex determinant in persimmons. Science, 346(6209), 646-650.

2. Akagi, T., Henry, I. M., Kawai, T., Comai, L., & Tao, R. (2016). Epigenetic regulation of the sex determination gene MeGI in polyploid persimmon. The Plant Cell, tpc-00532.