Hortic Res | 南京林业大学解析DNA甲基化调控雌雄异型异熟青钱柳的开花机制

雌雄异型异熟（heterodichogamy）是雌雄异熟的一种特殊形式，根据同一植株中雌花和雄花成熟的先后顺序，可分为雌先型（protogyny, PG）和雄先型（protandry, PA）两种交配类型。同一交配类型的雌雄花期相互错开，而不同交配类型的雌雄花期则趋于同步，可以有效地避免自交、促进异交。青钱柳（Cyclocarya paliurus）作为胡桃科重要的木本药用植物，不仅富含三萜类和黄酮类等活性物质，还具有雌雄异型异熟的开花特性。这种开花机制在胡桃科植物的生殖适应与遗传多样性维持中具有重要意义，但其分子调控机制尚未被阐明。

近日，“森林食物资源挖掘与利用全国重点实验室”南京林业大学青钱柳团队联合多家单位在Horticuture Research在线发表题为Differential methylation analysis of floral buds between two morphs unravels the contributions of key genes to flowering time in heterodichogamousCyclocarya paliurus的研究论文，首次构建了青钱柳两种交配类型雌雄花的单碱基分辨率DNA甲基化图谱，从表观遗传学层面揭示了其开花时序的调控机制，为研究雌雄异型异熟植物的开花特性提供了新的视角。

该研究以二倍体（2n = 2x = 32）青钱柳伸长期的雌雄花序为研究对象，通过全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS），发现同一交配类型中先行花（dipA_M和dipG_F）的整体DNA甲基化水平（尤其在CHH序列环境中）高于后续花（dipA_F和dipG_M）（图1）。由此推测DNA甲基化可能扮演着“启动开关”的角色，调控青钱柳雌雄花的开放时序。

图1 不同交配类型青钱柳雌雄花的差异甲基化分析

通过DNA甲基化组和转录组联合分析，获得了38个在不同交配类型雌雄花之间同时存在甲基化差异和表达差异的基因，涉及光周期途径、赤霉素途径、海藻糖-6-磷酸信号途径以及花分生组织特性基因（图2）。这些差异基因构成了一个复杂的成花调控网络，参与青钱柳雌雄异型异熟的开花过程。值得注意的是，在胡桃属和枫杨属植物中筛选到TPPs基因家族为雌雄异型异熟性状的关键遗传位点（Groh et al., 2025; Liu et al., 2025），在青钱柳中也检测到了TPPD和TPPF基因的差异表达，为胡桃科雌雄异型异熟交配系统的调控机制再添证据。

图2 青钱柳开花途径相关基因的表达与甲基化分析

通过异源过表达拟南芥以及甲基化抑制剂5-氮杂胞苷（5-azaC）田间处理二倍体植株进行双重验证，发现CpHd16、CpTPPD和CpFTIP3基因的过表达均推迟了拟南芥的花期（图3）。而5-azaC处理不仅延缓了青钱柳雌雄花的发育进程，还改变了CpTPPD和CpFTIP3的甲基化状态与表达水平（图4），推测这些基因可能通过甲基化调控介导了青钱柳的开花过程。

图3 CpTPPD、CpHd16和CpFTIP3的异源过表达延迟了开花

综上，该研究揭示了DNA甲基化在青钱柳雌雄异熟形成中的潜在作用，对解析植物交配系统的起源和演化具有深远意义。

图4 5-azaC处理对青钱柳开花时间及相关基因表达的影响

南京林业大学林草学院王倩博士（现任职于安徽省农业科学院茶叶研究所）和在读博士余延浩为论文共同第一作者。南京林业大学洑香香教授和浙江海洋大学瞿印权博士为论文共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金和江苏省研究生科研与实践创新计划的资助。

Groh, J.S., et al. (2025). Ancient structural variants control sex-specific flowering time morphs in walnuts and hickories. Science 387, eado5578.

Liu, H.S., et al. (2025). A pan-genome framework reveals structural variation and small RNA regulation underlying heterodichogamy in Pterocarya. Current Biology. 35, 1-13.

论文链接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhaf296