海南大学揭秘槟榔花性别之谜：茉莉酸调控机制获重大突破
海南大学揭秘槟榔花性别之谜：茉莉酸调控机制获重大突破
近日，海南大学万迎朗教授团队联合浙江大学张亮生教授团队在植物学权威期刊《New Phytologist》发表重要研究成果，揭示了槟榔花性别调控的分子机制。这一发现不仅增进了我们对非模式植物特别是雌雄同株、同序异花植物的理解，还为热带作物的农业生产提供了指导。
槟榔花性别调控的分子机制
研究团队利用PacBio和HiC测序技术组装了大小为2.73 Gb的高质量槟榔参考基因组，并将31406个编码基因注释和定位到16条染色体上。通过染色质开放性测序（ATAC-seq）和转录组技术，他们发现茉莉酸（JA）合成和信号传导途径中基因的表达受到表观遗传调控。
在槟榔花序中，茉莉酸浓度呈现从基部到尖端由高到低的梯度分布，雌花位置的JA浓度约为雄花的10倍。这种差异性表达调控了雌雄花的分化：在雌花区域，JA合成和信号转导相关基因的染色质调控区域开放程度更高，导致JA合成和信号转导相关基因的表达程度较高。
槟榔花的形态特征与性别区分
槟榔花的雄花和雌花在形态上有明显区别：
- 雄花：较小，无梗，通常单生或偶有成对出现。花瓣呈长圆形，长度约4-6毫米，花丝短小，退化雌蕊呈线形。
- 雌花：较大，萼片为卵形，花瓣近似圆形，长度可达1.2-1.5厘米。具有合生的退化雄蕊，子房呈长圆形。
此外，槟榔花序中雌花位于次级分枝末端，而雄花则分布于更细长的三级分枝上，这种空间排列也便于区分。
研究的意义与应用前景
这一发现对热带作物生产具有重要指导意义。2019-2020年冬季，海南岛遭受寒潮袭击，槟榔出现大量异常花序，即本应在雄花出现的位置发育出大量可育的两性花。研究发现，在这样的异常花序中，两性花位置的JA浓度约为正常花序雄花的2倍，且高浓度JA处理还通过降低AGL16、AP3、PIb和PIc等花发育ABC模型中的B类转录因子的表达来促进雌花器官的发育。
由于JA是植物响应低温胁迫的关键激素之一，这一发现可指导热带作物的农业生产。此外，通过比较基因组分析，还在槟榔15号染色体上发现了一个相对保守的性别决定相关区段，该区段包含多个性别相关基因，如CYP703、LOG、GPAT、AMS和BiP，其中CYP703、AMS和BiP在雄花中特异性表达。
这些基因在椰子、油棕、椰枣等棕榈科植物中也呈现集中分布的趋势，有可能这一区域是棕榈科植物性别分化和决定的关键区域。然而，由于棕榈科植物功能基因组研究较慢，特别是参与性别分化功能基因研究不多等因素限制，这一假设尚需更多数据支撑。
本研究通过整合多组学数据对槟榔两性花分子机制进行了详细分析，揭示了槟榔通过表观遗传调节JA合成来调控两性花生成，主要通过调控花发育的ABC模型中的B类转录因子的表达来决定槟榔雌雄花的性别，促进了我们对非模式植物特别是雌雄同株，同序异花植物的花性别决定和花器官发育的理解。