新研究破解茜草科異型花柱多態性之謎

花朵的千姿百態從何而來？科學家發現，傳粉昆蟲的“偏愛”是重要推手！近日，中國科學院華南植物園研究員羅世孝團隊在國家自然科學基金等項目的資助下，成功破解了茜草科異型花柱多態性之謎：生長素基因成關鍵“開關”。相關成果發表于《新植物學家》（New Phytologist）。

三種玉葉金花屬植物圖片。下側解剖圖分別展示長柱花和短柱花結構。研究團隊供圖，下同

論文第一作者、中國科學院華南植物園副研究員袁帥表示，同一性狀趨同演化背后的基因密碼是否相同是進化生物學的核心謎題之一。

據介紹，異型花柱現象堪稱植物花結構的精巧設計：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排列（如高柱頭配矮花藥，矮柱頭配高花藥），這種花部結構的“交互異位”不但能夠促進花粉精確傳遞，促進異株授粉，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構多態性現象至少在被子植物28個科中被發現，其中茜草科中發現有最多的屬和種具有異型花柱的性系統，然而調控花柱長短相關基因及分子調控機制卻仍然成謎。

玉葉金花屬S-locus超基因的半合子結構及其分子進化規律。

研究人員以茜草科玉葉金花屬為研究對象，結合基因組從頭組裝、比較基因組、群體基因組、轉錄組和系統發育等手段，鑒定了控制玉葉金花屬異型花柱發育的超基因的結構及其起源演化規律。

該研究發現：控制玉葉金花屬異型花柱發育的超基因由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，呈半合子結構；由于半合子結構導致的重組抑制，S-locus所在基因組區域比其兩側區域富集顯著高比例的重復序列；S-locus超基因是通過基因的逐步復制并且插入到該區域所形成的, 其中MuIAA的復制出現在茜草科分化之前，而MuGA3ox則出現在茜草科物種分化之后；超基因中名為MuIAA的生長素響應基因在短花柱的雌蕊和花筒部位高度活躍，是調控花柱長短的候選基因。

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

該研究不僅證實異型花柱演化在分子上存在趨同機制（S-locus的普遍半合子結構），更首次揭示生長素相關基因在調控花柱長短的核心作用。未來的科學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構的存續？這些發現將為解析植物多樣性起源打開新窗口。

相關論文信息：https://doi.org/10.1111/nph.70311