花朵的千姿百態(tài)從何而來?科學家發(fā)現(xiàn)，傳粉昆蟲的“偏愛”是重要推手!被子植物為吸引傳粉者，演化出精妙的花部結構。有趣的是，在親緣關系較遠的植物中，相似的傳粉環(huán)境會讓花朵“殊途同歸”—形成趨同演化的形態(tài)特征。然而，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。異型花柱(heterostyly)現(xiàn)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(tài)性現(xiàn)象至少在被子植物28個科中被發(fā)現(xiàn)，其中茜草科中發(fā)現(xiàn)有最多的屬和種具有異型花柱的性系統(tǒng)，然而調控花柱長短相關基因及分子調控機制卻仍然成謎。

中國科學院華南植物園羅世孝研究團隊以茜草科玉葉金花屬(Mussaenda)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(tǒng)發(fā)育等手段，鑒定了控制玉葉金花屬異型花柱發(fā)育的超基因(S-locus supergene)的結構及其起源演化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)(1)控制玉葉金花屬異型花柱發(fā)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;(2)由于半合子結構導致的重組抑制，S-locus 所在基因組區(qū)域比其兩側區(qū)域富集顯著高比例的重復序列;(3)S-locus 超基因是通過基因的逐步復制并且插入到該區(qū)域所形成的, 其中MuIAA 的復制出現(xiàn)在茜草科分化之前，而MuGA3ox 則出現(xiàn)在茜草科物種分化之后;(4)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。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。未來進一步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(xù)?這些發(fā)現(xiàn)將為解析植物多樣性起源打開新窗口。

相關研究成果以“Genomic evidence unveils the genetic architecture and evolution of the S-locus controlling heterostyly in Rubiaceae” 為題于近日發(fā)表于植物學期刊New Phytologist (《新植物學家》)(IF5year=10.3)上。華南植物園副研究員袁帥為論文第一作者，羅世孝研究員和張奠湘研究員為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金(32370239)和華南植物園青年人才專項(QNXM-06)的資助。文章鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.70311

圖1. 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。

圖2. 玉葉金花屬S-locus 超基因的半合子結構及其分子進化規(guī)律。

圖3. 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。