美洲黑楊Y染色體特異的DNA片段及決定性別發育的基因
楊樹良種選育實驗林 南京林業大學楊樹團隊供圖
楊樹在全球廣泛分布，是主要的造林用材樹種之一。但是楊樹飛絮為自身帶來了不少「差評」，嚴重製約了楊樹產業的發展。
通過克隆控制楊樹雌蕊和雄蕊發育的基因是實現不飛絮、少花粉楊樹品種培育的基礎科學問題。近日，南京林業大學楊樹團隊在《自然—通訊》上發表研究論文，為培育不飛絮、少花粉的美洲黑楊新品種提供了原創性成果。
應用導向的基礎研究
優質、速生、高產，幹形通直，適應性強……我國楊樹產業規模龐大，楊樹種植面積超過1億畝，佔我國人工林面積的18%。
「楊樹是雌雄異株植物。由於雌株生長表現優秀，我國以前選育和推廣的楊樹良種大多為雌株，在達到性成熟年齡後，每年春季會產生大量飛絮，嚴重時遮擋視線，帶來交通和火災隱患，也造成嚴重的汙染環境，引發了越來越多的社會關注，解決它自然就提上日程了。」論文通訊作者、南京林業大學教授尹佟明介紹。
然而，樹木選育的周期非常長，楊樹從雜交育苗到開花大約需要六七年時間，選育過程還必須做大量的田間試驗。比如楊樹優良品種「南林895」就是經過近20年的研究，從美洲黑楊與歐美楊雜交後代群體中選育出來的。
尹佟明接受《中國科學報》採訪時表示，「找到了性別決定基因，就可以在苗期鑑定它將來是否飛絮，進行性別的標記輔助早期選擇。現在有了基因編輯技術，還可以對決定雌蕊發育的基因進行準確敲除，做到精準育種，在不改變和影響其他性狀的情況下把飛絮問題解決掉。」
提高育種效率、縮短育種周期，在現代林木育種中具有十分重要的意義。那麼，如何找到決定植物重要性狀的基因呢？南京林業大學楊樹團隊進行了長期的科學探索。
找到特定基因
團隊以美洲黑楊為研究材料，於2012年構建了大規模的遺傳群體，對性別決基因在基因組中的位置進行了精細定位，發現美洲黑楊性別連鎖區位於楊樹19號染色體末端，並在性別決定區發現了Y染色體特異的DNA片段，證實美洲黑楊性別決定系統與人類一樣，屬XY性別決定系統。同時，利用自然群體進行的全基因組關聯分析發現，與性別表型一致的差異序列均來自於Y染色體特異的片段。
這個片段含有兩個基因，其中一個基因（FERR-R）是由在雌花中特異表達的基因FERR（該基因位於性別決定區外）複製形成，複製出的基因FERR-R丟失了部分序列，轉錄產生siRNA反過來攻擊FERR基因，使FERR基因的啟動子和第一外顯子發生甲基化，並降解FERR轉錄序列，從而抑制FERR基因在雄性中表達。另一個Y染色體特異片段上的基因MSL可以產生長鏈非編碼RNA。
遺傳轉化擬南芥實驗顯示，FERR基因的轉基因株系出現了雌蕊增加的表型，但過表達該基因不影響雄蕊發育；而MSL基因的轉基因株系由野生型的四強雄蕊轉變為六強雄蕊，並出現了7~8枚雄蕊的表型，過表達該基因不影響雌蕊發育，MSL有促雄功能。
通過對雌、雄花芽發育過程進行顯微切片觀察發現，楊樹雖然在春天開花，但雌花和雄花原基的形成是在上一年度的8月初。
美洲黑楊雌株只有FERR基因，所以雌花發育，而雄株雖然含有FERR基因，但該基因受到Y染色體特異的FERR-R基因抑制，所以在雄株花序中雌花不發育。基因動態表達研究顯示，FERR基因的表達有很強的時空特異性，只在雌花原基分化的早期表達，而在其他組織器官和花原基分化後的發育過程中不表達，所以通過基因編緝技術可以敲除該基因，解決美洲黑楊雌株的飄絮問題；而針對MSL基因的編輯，可以減少花粉汙染。
典型例證的意義
植物性別領域國際專家、英國皇家科學院院士Deborah Charlesworth對該項研究工作的原創性和學術價值給予了高度肯定，並就該研究對植物性別分化機制的理論問題，與團隊進行了深入合作。
三月份開始飄柳絮，接下來五月中下旬開始飄楊絮，飛絮的困擾往往到七月份才結束。
團隊成員、南京林業大學教授薛良交介紹，他們的研究還發現FERR基因、MSL基因同樣也在楊屬中另外一個亞屬物種小葉楊的性別決定區域存在，說明這兩個基因是楊樹性別決定系統的穩定組分。柳樹基因組中也在性別決定區發現了FERR基因的同源基因，因此，楊、柳飄絮可用同樣的技術手段解決。
「楊樹是用材樹種，人們的需求是讓它生產木材。開花是生殖生長，每年開花結實要消耗大量營養，勢必影響楊樹的營養生長。楊樹在生產上是利用插條進行無性繁殖的，並不需要通過種子繁殖。利用種子繁殖，子代不能保持優良性狀。只能無性繁殖才能保持個體的優良性狀。當找到控制重要性狀的基因後，可以通過基因編輯技術加速林木的良種培育，該研究提供了一個典型的例證。」尹佟明表示。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19559-2
來源：中國科學報