http://edu.yunnan.cn/system/2025/10/22/033694763.shtml

◎本報(bào)記者 趙漢斌

在有花植物中，雌雄異熟是指同一朵花的雌蕊與雄蕊在不同時(shí)間成熟。這一機(jī)制能有效避免自交，促進(jìn)異交，從而維持種群的遺傳多樣性。但究竟是哪個(gè)遺傳“開關(guān)”控制了這種雌雄異熟，其分子作用機(jī)制如何？此前，在科學(xué)界一直成謎。

近期，由云南農(nóng)業(yè)大學(xué)、云南大學(xué)等多家單位研究人員聯(lián)合完成的一項(xiàng)研究，闡明了有花植物避免自交、促進(jìn)異交的分子調(diào)控機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)為理解植物性系統(tǒng)演化提供了新視角。相關(guān)研究成果日前在線發(fā)表于《自然·植物》。

此前，植物生態(tài)學(xué)家李慶軍團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，具有花柱卷曲性的姜科山姜屬植物是研究雌雄異熟謎題的理想模型。該植物種群中存在兩種花型：花柱向上卷曲的雌蕊先熟型和花柱向下卷曲的雄蕊先熟型，二者以1∶1比例共存，且每日同步進(jìn)行方向相反的節(jié)律性運(yùn)動(dòng)，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)異花授粉。

隨后，由云南大學(xué)、云南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園、加拿大多倫多大學(xué)等多家單位科研人員組成的研究團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)近十年攻關(guān)，取得了一系列重要成果。研究人員首先通過對多個(gè)山姜屬物種的自然種群調(diào)查與人工授粉實(shí)驗(yàn)，證實(shí)其花柱卷曲性遵循經(jīng)典孟德爾遺傳規(guī)律，即由單一基因位點(diǎn)控制，雌蕊先熟為顯性雜合基因型，雄蕊先熟為隱性純合基因型。利用基因組測序與關(guān)聯(lián)分析，團(tuán)隊(duì)最終將控制基因定位在8號染色體末端的“雌雄異熟決定區(qū)”，并發(fā)現(xiàn)兩種花型該區(qū)域存在顯著的結(jié)構(gòu)差異——雌蕊先熟花型中插入了一段包含完整轉(zhuǎn)座子的大片段DNA，而雄蕊先熟花型則存在對應(yīng)缺失。

研究團(tuán)隊(duì)通過分析馬來良姜雌雄器官在一天中不同時(shí)間點(diǎn)的基因表達(dá)節(jié)律，發(fā)現(xiàn)一個(gè)此前未報(bào)道的新基因SMPED1，正是調(diào)控這一節(jié)律的關(guān)鍵“開關(guān)”。它所表達(dá)的節(jié)律，與花柱的每日運(yùn)動(dòng)和花藥的開裂時(shí)間高度同步。通過瞬時(shí)抑制實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)下調(diào)該基因表達(dá)后，花柱的節(jié)律性運(yùn)動(dòng)完全停止。

在模式植物驗(yàn)證方面，研究人員將該基因?qū)霐M南芥，發(fā)現(xiàn)它可使擬南芥花藥提前數(shù)小時(shí)開裂，從而證明其直接調(diào)控雄蕊的成熟時(shí)間。

進(jìn)一步研究揭示，SMPED1基因在所有有花植物中高度保守，原本可能僅參與花藥開裂調(diào)控。而在山姜屬植物中，轉(zhuǎn)座子插入導(dǎo)致的基因表達(dá)模式改變，使其演化出同時(shí)控制雌蕊運(yùn)動(dòng)和雄蕊成熟的多效性功能，并形成了獨(dú)特的花柱卷曲性。

論文第一作者、云南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授董揚(yáng)介紹，這一研究成果不僅為理解被子植物雌雄異熟的起源與維持機(jī)制提供了見解，更為關(guān)鍵的是，研究還揭示了轉(zhuǎn)座子在基因組結(jié)構(gòu)變異和調(diào)控重塑中的關(guān)鍵作用，為作物育種提供了新的理論依據(jù)與技術(shù)靶點(diǎn)。（趙漢斌）