花朵的千姿百態(tài)從何而來?科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，傳粉昆蟲的“偏愛”是重要推手!被子植物為吸引傳粉者，演化出精妙的花部結(jié)構(gòu)。有趣的是，在親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的植物中，相似的傳粉環(huán)境會讓花朵“殊途同歸”—形成趨同演化的形態(tài)特征。然而，同一性狀趨同演化背后的基因密碼是否相同是進(jìn)化生物學(xué)的核心謎題之一。異型花柱(heterostyly)現(xiàn)象堪稱植物花結(jié)構(gòu)的精巧設(shè)計：同一個物種的群體中存在兩種或三種花型，雌蕊和雄蕊高度呈互補(bǔ)排列(如高柱頭配矮花藥，矮柱頭配高花藥)，這種花部結(jié)構(gòu)的“交互異位”不但能夠促進(jìn)花粉精確傳遞，促進(jìn)異株授粉，維持種群多樣性，而且還能減少花粉干擾與避免近親繁殖。異型花柱這類植物花部結(jié)構(gòu)多態(tài)性現(xiàn)象至少在被子植物28個科中被發(fā)現(xiàn)，其中茜草科中發(fā)現(xiàn)有最多的屬和種具有異型花柱的性系統(tǒng)，然而調(diào)控花柱長短相關(guān)基因及分子調(diào)控機(jī)制卻仍然成謎。

中國科學(xué)院華南植物園羅世孝研究團(tuán)隊以茜草科玉葉金花屬(Mussaenda)為研究對象，結(jié)合基因組從頭組裝、比較基因組、群體基因組、轉(zhuǎn)錄組和系統(tǒng)發(fā)育等手段，鑒定了控制玉葉金花屬異型花柱發(fā)育的超基因(S-locus supergene)的結(jié)構(gòu)及其起源演化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)(1)控制玉葉金花屬異型花柱發(fā)育的超基因由3個緊密連鎖的基因(MuIAA, MuGA3ox, MuAPs)組成，且只存在于短柱花個體中，呈半合子結(jié)構(gòu);(2)由于半合子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的重組抑制，S-locus 所在基因組區(qū)域比其兩側(cè)區(qū)域富集顯著高比例的重復(fù)序列;(3)S-locus 超基因是通過基因的逐步復(fù)制并且插入到該區(qū)域所形成的, 其中MuIAA 的復(fù)制出現(xiàn)在茜草科分化之前，而MuGA3ox 則出現(xiàn)在茜草科物種分化之后;(4)超基因中名為MuIAA的生長素響應(yīng)基因在短花柱的雌蕊和花筒部位高度活躍，是調(diào)控花柱長短的候選基因。該研究不僅證實異型花柱演化在分子上存在趨同機(jī)制(S-locus 的普遍半合子結(jié)構(gòu))，更首次揭示生長素相關(guān)基因在調(diào)控花柱長短的核心作用。未來進(jìn)一步的科學(xué)問題包括為什么某些植物類群更易演化出異型花柱?激素代謝通路如何影響這類精巧結(jié)構(gòu)的存續(xù)?這些發(fā)現(xiàn)將為解析植物多樣性起源打開新窗口。

相關(guān)研究成果以“Genomic evidence unveils the genetic architecture and evolution of the S-locus controlling heterostyly in Rubiaceae” 為題于近日發(fā)表于植物學(xué)期刊New Phytologist (《新植物學(xué)家》)(IF5year=10.3)上。華南植物園副研究員袁帥為論文第一作者，羅世孝研究員和張奠湘研究員為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金(32370239)和華南植物園青年人才專項(QNXM-06)的資助。文章鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.70311

圖1. 三種玉葉金花屬植物圖片。下側(cè)解剖圖分別展示長柱花和短柱花結(jié)構(gòu)。

圖2. 玉葉金花屬S-locus 超基因的半合子結(jié)構(gòu)及其分子進(jìn)化規(guī)律。

圖3. 玉葉金花屬長柱花和短柱花的花柱和花冠管的差異表達(dá)基因。S-locus 基因MuIAA 和MuAPs 在短柱花中顯著高表達(dá)。