《Science》4000万年未解之谜：核桃树每年转换性别的原因

加州大学戴维斯分校的生物学家在核桃树中发现了一种迷人的遗传机制，使它们……

　　

加州大学戴维斯分校的生物学家在核桃树中发现了一种令人着迷的遗传机制，这种机制允许核桃树在每个季节交替开雄花和雌花——这种特性稳定了4000万年。

这一发现不仅阐明了植物的繁殖，而且与人类性别决定的机制相似。

揭示核桃树的性别

加州大学戴维斯分校的生物学家发现了核桃树在同一个开花季节里性别交替背后的遗传基础。他们的研究发表在1月3日的《Science》杂志上，发现了一种机制，这种机制在核桃及其祖先身上保持了惊人的4000万年的稳定。有趣的是，这种机制与人类和其他动物的性别决定系统有一些相似之处。

开花植物采用各种策略来避免自花授粉。一些植物的物理结构使自花授粉变得困难，而另一些则产生明显的“雄性”和“雌性”植物。某些物种，如核桃树（walnut）、山核桃树（hickory）和碧根果树（pecan），通过在同一季节交替开雄花和雌花，采取更动态的方法。值得注意的是，每棵核桃树始终遵循两种模式中的一种：它要么以雄花开始（“雄花优先”），要么以雌花开始（“雌花优先”）。1877年，查尔斯·达尔文首次发现了这一现象。20世纪80年代，加州大学戴维斯分校的研究生Scott Gleeson发现，这种开花模式由一个单一的基因位点控制。

发现一种长期存在的遗传机制

加州大学戴维斯分校（UC Davis）人口生物学研究生、该论文的第一作者Jeff Groh说：“核桃和山核桃具有时间二态性，它们在整个季节交替开花。自19世纪以来，人们就已经知道了这一点，但在此之前，人们还没有在分子水平上理解它。”

这种情况既发生在驯化的核桃中，也发生在野生的核桃中，比如北加州黑核桃。在野生树种中，雄性优先和雌性优先的比例几乎是1:1。

Groh和他的博士导师，进化与生态学系的 Graham Coop教授，利用了加州大学戴维斯分校核桃育种计划的数据，并跟踪了加州大学戴维斯分校校园周围生长的北加州原生黑核桃树的开花情况。研究人员将它们分为雄花优先组和雌花优先组，对它们的基因组进行了测序，并确定了与这一特征相关的序列。

进化见解：机制稳定性

在核桃中，他们发现了与雌性优先或雄性优先开花相关的基因的两种变体。这种DNA多态性出现在至少9种核桃中，并且已经稳定了近4000万年。

Groh说：“在这么长的时间里保持变异是很不典型的。”在这种情况下，两种开花类型相互平衡。如果一种开花类型在种群中比另一种更常见，那么不太常见的类型就会获得交配优势，因此它就会变得更常见。这将使系统达到50:50的平衡，并保持遗传变异。

Groh发现，山核桃也有一种平衡的基因多态性，决定开花顺序，但在基因组的不同部分。山核桃的多态性似乎比核桃更古老，超过5000万年。

核桃和山核桃是如何通过完全不同的基因达到相同的开花机制的？

可能是核桃和山核桃的祖先在进化过程中采用了类似的解决方案。但也有可能这种时间间隔的开花系统在这个家族中出现得更早，大约7000万年前，但随着时间的推移，实现这一目标的确切遗传机制已经发生了变化。

动物性别决定的相似之处

有趣的是，这与动物性染色体的工作方式相似，两种结构变体（人类和其他哺乳动物的X和Y染色体）大致保持平衡。Groh说：“这与普通的性别决定模式有明显的相似之处。”

参考文献：“Ancient structural variants control sex-specific flowering time morphs in walnuts and hickories” by Jeffrey S. Groh, Diane C. Vik, Matthew Davis, J. Grey Monroe, Kristian A. Stevens, Patrick J. Brown, Charles H. Langley and Graham Coop, 3 January 2025, Science.