Nat Commun | 被子植物中葡萄性别决定区的进化保守和葡萄科中 Dioucy 的出现

发布时间：

2025-07-09

来源：

生信育种家

文章题目：Evolutionary conservation of the grape sex-determining region in angiosperms and emergence of dioecy in Vitaceae

发表时间：2025.07.01

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61387-9

葡萄的性别决定区在开花中植物高度保守

为研究葡SDR进化，分析56个植物基因组共线性，发现被子植物中SDR区域高度保守，非开花物种中不存在。基因共线性分析显示，SDR区域在被子植物中直系同源窗口共线基因数量显著高于其他区域，且基因保守性高。即使考虑全基因组复制影响，SDR区域在被子植物中仍高度保守，表明其在进化中具有重要意义。

图1：葡萄科的系统发育关系及其花的形态

图 2：被子植物中葡萄属性别决定区（SDR）基因的保守分析

葡萄的性别决定区在葡萄科植物中是保守的

为研究葡萄科SDR基因组区域保守性，测序组装六个葡萄科种质基因组，发现其基因含量保守，但存在分支间及内部物种差异，如FMO基因数量不同，VviINP1基因分布不均。VSR区域大小差异大，与基因间重复内容差异相关，如Cissus物种重复含量低，而T. voinieranum基因间重复多。这些结果表明，Vitis SDR在葡萄科中基因含量保守，但受重复序列影响，区域大小变化大。

图3：葡萄科植物中葡萄性别决定区同源区域的基因和基因间重复序列含量的示意图。

SDR同源区域在雌雄异株的四照花属（Tetrastigma）物种中没有表现出连锁限制的证据

研究发现，四照花属（Tetrastigma spp.）的VSR区域可能与性别决定无关。四照花属是雌雄异株植物，其性别决定系统未知。研究从NCBI检索了13个四照花物种的DNA-seq短读数，比对到T. voinieranum的单倍型1上，鉴定出3326648个SNP位点。系统发育分析将这些物种分为三个分支。LD分析显示，四照花属的VSR区域LD迅速下降，且杂合性较低，表明该区域不存在性别特异性差异，也未发现重组抑制的证据。T. voinieranum的两种VSR单倍型之间同义差异（dS）很低，进一步支持该区域未发生复合抑制。

图4：T. voinieranum中葡萄性别决定区的同源区域

圆叶葡萄的性别决定区

通过分析遗传连锁标记物和全基因组测序数据，发现圆叶葡萄的SDR跨度约为146 kbp（F单倍型）和232 kbp（M单倍型），包含16个和15个蛋白质编码基因。SDR边界与葡萄（Vitis）属相似。对雌性Fry和雄性DVIT1750的基因组进行测序和组装，发现M单倍型相对于F单倍型存在约209 kbp的倒置，估计该结构变异发生在40.3 ± 13.2百万年前。M单倍型的基因间隙中重复元件含量高于F单倍型，但基因含量在两种单倍型之间高度保守。VviINP1中的8 bp缺失在所有F单倍型中存在，并在雌性Fry中为纯合子。这些发现支持圆叶葡萄SDR处于重组抑制之下。

图5：圆叶葡萄的性别决定区。

研究估计了葡萄（Vitis）和圆叶葡萄（Muscadinia rotundifolia）的性别决定区（SDR）中重组停止的时间。通过计算Vitis和圆叶葡萄SDR共同区域内基因的M和F等位基因之间的同义差异（dS），发现圆叶葡萄的重组停止时间比Vitis稍早。比较了SDR内基因编码的蛋白质，发现VviINP1和VviPLATZ1等基因存在性别连锁模式。VviYABBY3的启动子区域存在M等位基因特异性的TF结合位点，且其M等位基因在雄花的子房中表达更高，表明可能作为女性抑制因子发挥作用。研究表明，Vitis和圆叶葡萄的SDR具有相似的边界和候选性别决定基因，暗示它们有共同的进化起源。

图 6：圆叶葡萄中 VviYABBY3 的 F 和 M 等位基因之间的差异。

总结

植物性别决定的进化，尤其是在雌雄异株物种中，是一个复杂的过程，涉及与雌性和雄性器官发生相关的基因区域的遗传变化。在葡萄（Vitis）和圆叶葡萄（Muscadinia rotundifolia）中，性别决定区（SDR）具有高度的基因共线性和保守性，表明其在被子植物生殖发育中的重要作用。研究表明，Vitis和Muscadinia的SDR位于相似区域，包含相似的基因，如VviYABBY3和VviINP1，这些基因在花发育中起关键作用。圆叶葡萄的SDR包含一个约209 kbp的倒置，可能与重组抑制有关。尽管Vitis和Muscadinia的SDR高度保守，但圆叶葡萄的重组完全停止时间比Vitis稍早。这些结果支持一个模型，即在Vitis和Muscadinia的共同祖先中，与开花相关的高度保守区域内的突变导致了雌雄异株的出现。

图7：葡萄（Vitis）和圆叶葡萄（Muscadinia）性别决定区在被子植物中高度保守且与开花相关的区域中建立的模型。

推荐下载

本网站转载的信息，仅供学习参考，不代表葡藤匠心网的观点。转载如有侵权，请作者速来函告知。