木瓜Y染色体特异性CpMp基因调控长雄花梗发育的分子机制与性染色体演化意义

《Nature Communications》：Identification and molecular analysis of the Y-specific CpMp gene controlling long male peduncles in papaya

本研究通过比较基因组学与功能验证，鉴定出木瓜Y染色体特异性SVP旁系同源基因CpSVP-Yp（命名为CpMp）为控制长雄花梗的关键基因。研究人员发现CpMp通过激活CpYUC6促进生长素合成，进而提高赤霉素水平，通过CpGASA6驱动细胞分裂与伸长。该研究首次揭示CpTRAB1/CpGATA8双重反馈调控回路，并证实雄株花粉产量达雌雄同株的400倍，为木瓜雌雄异株进化提供关键证据。成果发表于《Nature Communications》，为植物性别决定与性染色体演化机制提供新范式。

　　

在植物王国中，性别分化机制一直是进化生物学的核心谜题。木瓜作为罕见的拥有XY性别染色体的果树作物，其野生种群为雌雄异株，而栽培品种多为雌全同株，这种独特的性别多态性为研究性染色体演化提供了天然实验室。长期以来，科学家们发现木瓜雄性植株具有显著延长的花梗（peduncle），这种性状被认为在雌全同株向雌雄异株进化过程中起关键作用，但其分子调控机制始终未被揭示。

发表在《Nature Communications》的这项研究，由福建农林大学基因组与生物技术中心的周永梅、庞子琴等人完成，他们成功鉴定出控制木瓜长雄花梗的关键基因CpMp，并深入解析了其调控网络。研究人员发现，这一基因不仅关系到花梗形态，更是木瓜性染色体进化第三阶段的重要驱动因子。

研究团队运用多种前沿技术手段展开探索。通过转录组分析比较雌雄同株与雄花差异，结合CRISPR-Cas9基因编辑系统获得CpMp敲除突变体，并在雌性植株中过表达该基因。利用CUT&Tag技术绘制转录因子结合图谱，开展酵母单杂交筛选上游调控因子，同时进行广泛靶向代谢组学分析激素水平变化。此外，通过病毒诱导基因沉默（VIGS）验证下游靶基因功能，并系统比较不同性别类型木瓜的花粉产量差异。

CpMp控制花梗伸长但不参与性别决定

转录组分析发现Y染色体特异性SVP旁系同源基因CpSVP-Yp是雄性与雌雄同株花蕾中唯一差异表达基因。通过启动子片段（-1762bp至ATG）与β-葡萄糖醛酸酶报告基因融合实验，发现GUS染色信号在幼嫩花梗中特异性表达。CRISPR-Cas9敲除雄株中的CpSVP-Yp导致花梗缩短，而过表达该基因的雌株花梗显著伸长。显微结构分析显示，敲除突变体花梗的髓部面积、导管细胞数量和直径以及表皮细胞长度均减少，而过表达植株这些指标均增加，证实CpSVP-Yp是控制长雄花梗的关键基因，重新命名为CpMp。

CpMp通过调控CpYUC6表达调节生长素生物合成

RNA测序与代谢组学分析发现，CpMp敲除雄株顶端分生组织（SAM）中吲哚-3-乙酸（IAA）及其前体L-色氨酸（L-Trp）含量显著降低。CUT&Tag实验显示CpMp直接结合生长素合成关键基因CpYUC6启动子区域，荧光素酶报告实验进一步验证这一结合。病毒诱导CpYUC6沉默后，IAA水平与花梗长度同步下降，表明CpYUC6是CpMp调控生长素合成的直接靶点。

IAA与GA₃处理促进花梗伸长

外源施加IAA（400μM）和GA₃（150μM）均能诱导花梗伸长，其中GA₃效果更为显著。IAA处理雌雄同株木瓜后，GA₄含量增加逾倍，且激活了扩张蛋白基因家族成员表达。Mfuzz聚类分析显示，赤霉素响应因子CpGRFs（包括CpGRF1、CpGRF4等）在雄株花梗中高表达，细胞周期相关基因（CpCDC20-1、CpCYCA1-1等）同样受GA₃上调。

CpTRAB1和CpGATA8调控CpMp转录

通过酵母单杂交系统筛选发现两个转录因子：CpTRAB1（bZIP家族）和CpGATA8（GATA家族）。CpTRAB1过表达雄株中CpMp转录活性显著提升，而CpGATA8过表达则抑制CpMp表达并减少花梗生长。电泳迁移率变动分析（EMSA）证实CpTRAB1特异性结合CpMp启动子O2位点，CpGATA8结合GATA框，形成双重反馈调控回路。

过表达CpGASA6促进雌株花梗伸长

CpGASA6作为GA诱导基因，在GA处理后的雌株及野生型雄株花梗中高表达。在雌株中过表达CpGASA6可显著延长花梗（达雌株3倍），并增加髓部细胞数量与导管直径。值得注意的是，CpGASA6过表达反而抑制IAA生物合成相关基因（CpYUC4、CpYUC6等），表明存在反馈抑制机制。

雄株与雌雄同株花粉产量比较

野生型雄株（CRW-1）每花花粉数量达152,500粒，显著高于雌雄同株（32,727-45,500粒）。更重要的是，单个叶腋花序中，雄株花粉总量可达雌雄同株的400-1,077倍。CpMp敲除雄株花粉数量减少62.72%，证实长花梗性状对雄性适合度的关键贡献。

本研究首次完整揭示了木瓜长雄花梗形成的分子通路：CpMp通过直接激活CpYUC6促进生长素合成，进而提升赤霉素水平，通过CpGASA6-扩张蛋白模块驱动细胞分裂与伸长。发现的双重反馈调控网络（CpTRAB1正调控/CpGATA8负调控）为植物激素互作提供新视角。尤为重要的是，研究证实长花梗使雄株花粉产量远超雌雄同株，突破雌雄异株进化所需的2倍阈值理论，为木瓜性染色体演化提供关键证据。该成果不仅深化了对植物性别决定机制的理解，也为作物株型改良与繁殖策略优化提供理论依据。