Nature Commun | 福建农林大学明瑞光团队揭示番木瓜雌雄异株关键基因的演化及其调控网络

近日，福建农林大学海峡联合研究院明瑞光团队在Nature Communications杂志上在线发表题为Identification and Molecular analysis of the Y-specific CpMp gene controlling long male peduncles in papaya的研究论文。该研究聚焦于雄性花序梗长度的关键基因CpMp及其调控网络。系统解析了该基因的上下游调控机制，并揭示了其在番木瓜雌雄异株形成及性染色体演化过程中的关键作用。这一发现不仅为理解番木瓜的生物学特性提供了新视角，也为相关植物的育种和品种改良提供了理论基础。

番木瓜具有XY性染色体系统，并呈现两种性别体系：雌雄异株（雌花XX、雄花XY）或雌全异株（雌花XX、雌雄同花XYh）的形态。在这三种性别类型中，雄株与雌株和雌雄同花植株不仅在花器官结构上存在明显差异，还在花序梗长度上表现出性别二态性：雌株和雌雄同花植株的花序梗均为短花序梗，而雄株表现出长花序梗。

番木瓜的长花序梗性状与性别严格共分离，在后代的性别分离群体中从未观察到重组基因型，说明控制该性状的关键基因位于重组受抑制的Y特异区域。番木瓜已从雌雄同花演化为雌雄异株，而栽培种中的雌雄同花植株是在约4000年前驯化过程中从雄株中选择形成的。番木瓜的长花序梗性状是雌雄异株和性染色体演化中的关键一步，因为雄株的长花梗显著提升了花粉的产量和传播效率。

通过深入的基因组学和转录组学分析，研究团队锁定了一个Y染色体特有的SVP旁系同源基因CpSVP-Yp，并通过互补实验确定其为控制番木瓜雄性花序梗长度的关键基因CpMp。研究结果显示，CpMp并不参与番木瓜的性别决定，而是通过激活CpYUC6的表达，提高细胞内生长素含量。生长素水平的升高进一步促进赤霉素的合成，从而推动长花序梗的形成（图1）。

图1 CpSVP-Yp通过增加细胞数量和细胞大小来控制花序梗伸长

研究还鉴定出CpMp两个上游调控因子：CpTRAB1（一种受赤霉素抑制的转录激活因子）和CpGATA8（一种受CpMp诱导的转录抑制因子），二者共同构建了一个复杂的双重反馈调控网络，精细调控CpMp的表达水平。

通过对雌雄性番木瓜的差异表达基因，以及对雌性番木瓜施用赤霉素后产生的差异基因进行维恩分析，研究团队共鉴定出6个共同差异基因。其中，赤霉素诱导的CpGASA6在具有长花序梗性状的番木瓜中显著富集表达，在雌性植株中过表达该基因可显著增加花序梗长度，表明CpGASA6是CpMp-CpYUC6-IAA-GA激素信号级联的下游基因。同时，CpGASA6还能形成了一个反馈回路，实现对激素平衡的精细调控。

这项研究还揭示了一个重要现象：雄性番木瓜植株的花粉产量竟是雌雄同花植株的400倍。这一显著的生殖优势正是长花序梗在漫长演化过程中为雄株带来的繁殖竞争力提升，进而促使木瓜种群逐渐向稳定的雌雄异株系统演化，并推动其性染色体从第一阶段过渡到第二阶段。

此项研究不仅揭示了番木瓜长花序梗背后的分子机制，还为番木瓜的育种提供新的思路，如通过调控花序梗长度优化雌株和雌雄同花植株的株型。更重要的是，本研究为理解植物的性别分化、性染色体的起源与演化提供了新的视角。CpMp基因的发现，与另外两个性别决定基因共同推动了番木瓜性染色体由第一阶段演化向第二阶段的演化，促成了稳定的雌雄异株繁殖系统的形成。

福建农林大学明瑞光教授为本文的通讯作者，福建农林大学海峡联合研究院和农学院已毕业博士周永梅（现任湘湖实验室博士后）为第一作者，福建农林大学农学院甘蔗研究中心已毕业博士庞孜钦（现任湘湖实验室博士后）为第二作者，福建农林大学讲师王文参与了本项研究。本研究由福建农林大学启动资金、美国国家科学基金会（NSF）植物基因组研究计划项目DBI-1546890等支持。

作者简介：

明瑞光，福建农林大学海峡联合研究院基因组学研究中心主任、教授、博士生导师，国家重大人才计划专家。主要从事热带、亚热带作物分子遗传和基因组演化相关基础研究，已在国际期刊发表研究论文294篇，其中包括Nature（3篇）、Science（2篇）、Cell（1篇）、Nature Genetics（7篇）、Nature Communications（3篇）、PNAS（3篇）、Nature Plants（4篇）、Genome Research（6篇）、Genome Biology（6篇）。主持科研项目20余项。主编著作3部（Springer出版），参编著作9部。

周永梅，湘湖实验室（农业浙江省实验室）与浙江大学联合培养博士后，农学博士。2023年毕业于福建农林大学农学院作物遗传育种专业，主要研究方向激素调控植物发育分子机理。近年来，以第一作者在Nature Communications、BMC plant biology、Fronteirs in plant science等期刊发表SCI论文4篇，中文核心期刊论文1篇。

https://doi.org/10.1038/s41467-025-65632-z