Nature Commun | 福建農林大學明瑞光團隊揭示番木瓜雌雄異株關鍵基因的演化及其調控網絡

近日，福建農林大學海峽聯合研究院明瑞光團隊在Nature Communications雜志上在線發表題為Identification and Molecular analysis of the Y-specific CpMp gene controlling long male peduncles in papaya的研究論文。該研究聚焦于雄性花序梗長度的關鍵基因CpMp及其調控網絡。系統解析了該基因的上下游調控機制，并揭示了其在番木瓜雌雄異株形成及性染色體演化過程中的關鍵作用。這一發現不僅為理解番木瓜的生物學特性提供了新視角，也為相關植物的育種和品種改良提供了理論基礎。

番木瓜具有XY性染色體系統，并呈現兩種性別體系：雌雄異株（雌花XX、雄花XY）或雌全異株（雌花XX、雌雄同花XYh）的形態。在這三種性別類型中，雄株與雌株和雌雄同花植株不僅在花器官結構上存在明顯差異，還在花序梗長度上表現出性別二態性：雌株和雌雄同花植株的花序梗均為短花序梗，而雄株表現出長花序梗。

番木瓜的長花序梗性狀與性別嚴格共分離，在后代的性別分離群體中從未觀察到重組基因型，說明控制該性狀的關鍵基因位于重組受抑制的Y特異區域。番木瓜已從雌雄同花演化為雌雄異株，而栽培種中的雌雄同花植株是在約4000年前馴化過程中從雄株中選擇形成的。番木瓜的長花序梗性狀是雌雄異株和性染色體演化中的關鍵一步，因為雄株的長花梗顯著提升了花粉的產量和傳播效率。

通過深入的基因組學和轉錄組學分析，研究團隊鎖定了一個Y染色體特有的SVP旁系同源基因CpSVP-Yp，并通過互補實驗確定其為控制番木瓜雄性花序梗長度的關鍵基因CpMp。研究結果顯示，CpMp并不參與番木瓜的性別決定，而是通過激活CpYUC6的表達，提高細胞內生長素含量。生長素水平的升高進一步促進赤霉素的合成，從而推動長花序梗的形成（圖1）。

圖1 CpSVP-Yp通過增加細胞數量和細胞大小來控制花序梗伸長

研究還鑒定出CpMp兩個上游調控因子：CpTRAB1（一種受赤霉素抑制的轉錄激活因子）和CpGATA8（一種受CpMp誘導的轉錄抑制因子），二者共同構建了一個復雜的雙重反饋調控網絡，精細調控CpMp的表達水平。

通過對雌雄性番木瓜的差異表達基因，以及對雌性番木瓜施用赤霉素后產生的差異基因進行維恩分析，研究團隊共鑒定出6個共同差異基因。其中，赤霉素誘導的CpGASA6在具有長花序梗性狀的番木瓜中顯著富集表達，在雌性植株中過表達該基因可顯著增加花序梗長度，表明CpGASA6是CpMp-CpYUC6-IAA-GA激素信號級聯的下游基因。同時，CpGASA6還能形成了一個反饋回路，實現對激素平衡的精細調控。

這項研究還揭示了一個重要現象：雄性番木瓜植株的花粉產量竟是雌雄同花植株的400倍。這一顯著的生殖優勢正是長花序梗在漫長演化過程中為雄株帶來的繁殖競爭力提升，進而促使木瓜種群逐漸向穩定的雌雄異株系統演化，并推動其性染色體從第一階段過渡到第二階段。

此項研究不僅揭示了番木瓜長花序梗背后的分子機制，還為番木瓜的育種提供新的思路，如通過調控花序梗長度優化雌株和雌雄同花植株的株型。更重要的是，本研究為理解植物的性別分化、性染色體的起源與演化提供了新的視角。CpMp基因的發現，與另外兩個性別決定基因共同推動了番木瓜性染色體由第一階段演化向第二階段的演化，促成了穩定的雌雄異株繁殖系統的形成。

福建農林大學明瑞光教授為本文的通訊作者，福建農林大學海峽聯合研究院和農學院已畢業博士周永梅（現任湘湖實驗室博士后）為第一作者，福建農林大學農學院甘蔗研究中心已畢業博士龐孜欽（現任湘湖實驗室博士后）為第二作者，福建農林大學講師王文參與了本項研究。本研究由福建農林大學啟動資金、美國國家科學基金會（NSF）植物基因組研究計劃項目DBI-1546890等支持。

作者簡介：

明瑞光，福建農林大學海峽聯合研究院基因組學研究中心主任、教授、博士生導師，國家重大人才計劃專家。主要從事熱帶、亞熱帶作物分子遺傳和基因組演化相關基礎研究，已在國際期刊發表研究論文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）。主持科研項目20余項。主編著作3部（Springer出版），參編著作9部。

周永梅，湘湖實驗室（農業浙江省實驗室）與浙江大學聯合培養博士后，農學博士。2023年畢業于福建農林大學農學院作物遺傳育種專業，主要研究方向激素調控植物發育分子機理。近年來，以第一作者在Nature Communications、BMC plant biology、Fronteirs in plant science等期刊發表SCI論文4篇，中文核心期刊論文1篇。

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