Hortic Res | 南京林業(yè)大學(xué)解析DNA甲基化調(diào)控雌雄異型異熟青錢柳的開花機(jī)制

雌雄異型異熟（heterodichogamy）是雌雄異熟的一種特殊形式，根據(jù)同一植株中雌花和雄花成熟的先后順序，可分為雌先型（protogyny, PG）和雄先型（protandry, PA）兩種交配類型。同一交配類型的雌雄花期相互錯(cuò)開，而不同交配類型的雌雄花期則趨于同步，可以有效地避免自交、促進(jìn)異交。青錢柳（Cyclocarya paliurus）作為胡桃科重要的木本藥用植物，不僅富含三萜類和黃酮類等活性物質(zhì)，還具有雌雄異型異熟的開花特性。這種開花機(jī)制在胡桃科植物的生殖適應(yīng)與遺傳多樣性維持中具有重要意義，但其分子調(diào)控機(jī)制尚未被闡明。

近日，“森林食物資源挖掘與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”南京林業(yè)大學(xué)青錢柳團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家單位在Horticuture Research在線發(fā)表題為Differential methylation analysis of floral buds between two morphs unravels the contributions of key genes to flowering time in heterodichogamousCyclocarya paliurus的研究論文，首次構(gòu)建了青錢柳兩種交配類型雌雄花的單堿基分辨率DNA甲基化圖譜，從表觀遺傳學(xué)層面揭示了其開花時(shí)序的調(diào)控機(jī)制，為研究雌雄異型異熟植物的開花特性提供了新的視角。

該研究以二倍體（2n = 2x = 32）青錢柳伸長期的雌雄花序?yàn)檠芯繉ο螅ㄟ^全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS），發(fā)現(xiàn)同一交配類型中先行花（dipA_M和dipG_F）的整體DNA甲基化水平（尤其在CHH序列環(huán)境中）高于后續(xù)花（dipA_F和dipG_M）（圖1）。由此推測DNA甲基化可能扮演著“啟動(dòng)開關(guān)”的角色，調(diào)控青錢柳雌雄花的開放時(shí)序。

圖1 不同交配類型青錢柳雌雄花的差異甲基化分析

通過DNA甲基化組和轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析，獲得了38個(gè)在不同交配類型雌雄花之間同時(shí)存在甲基化差異和表達(dá)差異的基因，涉及光周期途徑、赤霉素途徑、海藻糖-6-磷酸信號途徑以及花分生組織特性基因（圖2）。這些差異基因構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的成花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，參與青錢柳雌雄異型異熟的開花過程。值得注意的是，在胡桃屬和楓楊屬植物中篩選到TPPs基因家族為雌雄異型異熟性狀的關(guān)鍵遺傳位點(diǎn)（Groh et al., 2025; Liu et al., 2025），在青錢柳中也檢測到了TPPD和TPPF基因的差異表達(dá)，為胡桃科雌雄異型異熟交配系統(tǒng)的調(diào)控機(jī)制再添證據(jù)。

圖2 青錢柳開花途徑相關(guān)基因的表達(dá)與甲基化分析

通過異源過表達(dá)擬南芥以及甲基化抑制劑5-氮雜胞苷（5-azaC）田間處理二倍體植株進(jìn)行雙重驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)CpHd16、CpTPPD和CpFTIP3基因的過表達(dá)均推遲了擬南芥的花期（圖3）。而5-azaC處理不僅延緩了青錢柳雌雄花的發(fā)育進(jìn)程，還改變了CpTPPD和CpFTIP3的甲基化狀態(tài)與表達(dá)水平（圖4），推測這些基因可能通過甲基化調(diào)控介導(dǎo)了青錢柳的開花過程。

圖3 CpTPPD、CpHd16和CpFTIP3的異源過表達(dá)延遲了開花

綜上，該研究揭示了DNA甲基化在青錢柳雌雄異熟形成中的潛在作用，對解析植物交配系統(tǒng)的起源和演化具有深遠(yuǎn)意義。

圖4 5-azaC處理對青錢柳開花時(shí)間及相關(guān)基因表達(dá)的影響

南京林業(yè)大學(xué)林草學(xué)院王倩博士（現(xiàn)任職于安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所）和在讀博士余延浩為論文共同第一作者。南京林業(yè)大學(xué)洑香香教授和浙江海洋大學(xué)瞿印權(quán)博士為論文共同通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金和江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃的資助。

Groh, J.S., et al. (2025). Ancient structural variants control sex-specific flowering time morphs in walnuts and hickories. Science 387, eado5578.

Liu, H.S., et al. (2025). A pan-genome framework reveals structural variation and small RNA regulation underlying heterodichogamy in Pterocarya. Current Biology. 35, 1-13.

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhaf296