與性別相對固定的高等動物不同，植物的“性別表現”豐富多樣。然而，為最大限度地促進不同個體間的雜交，避免“近親繁殖”，部分植物演化出類似動物的雌雄異株策略，即一株植物僅開雌花，另一株僅開雄花。盡管這類植物在種類上不占多數，但它們廣泛分布在超過一半的被子植物科中，表明這種策略在演化史上曾多次獨立出現。
近日，中國科學院華南植物園研究團隊利用基因測序技術，解析了多種植物的性別決定機制及性染色體演化路徑。
植物在同型性染色體階段，X和Y染色體相似，大部分區域可自由重組；異型性染色體階段，Y染色體或因長期缺乏重組而積累突變、重復序列和轉座元件，發生基因丟失，最終變得巨大或退化。在石竹科蠅子草屬植物中，團隊研究了巨型Y染色體的起源與演化機制。
以Silene latifolia為例，其Y染色體長度約達5.1億堿基，超過許多植物整個基因組規模。研究表明，該物種的X與Y染色體之間的重組抑制并非一次性完成，而是逐步形成的，如同地質學中的地層堆積，留下了清晰的“演化層”痕跡。通過同源基因對比，三個演化層的分化時間分別約為1180萬年、540萬年和440萬年前。在最古老的演化層中，Y染色體上超70%的基因已丟失，而靠近假常染色體區域的基因則保存相對完整。
經典模型認為，植物性別分化通常需要促進雄蕊發育的突變（雄性功能）和抑制雌蕊發育的突變（雌性功能）兩個關鍵突變。在Silene latifolia中，團隊識別出與這兩項功能相對應的候選基因——SlCLV3（雌蕊抑制因子）和TWD1等（雄蕊促進因子）。該發現從分子層面驗證了“兩次突變模型”在植物雌雄異株演化過程中的合理性。
基于上述結果，團隊提出Silene latifolia?Y染色體逐步演化模型。最初，性別決定基因及其相關基因位于普通染色體上，仍可自由重組。為固定有利的基因組合，自然選擇首先“鎖定”了核心區域的基因交流。隨后，這種重組抑制如漣漪般向外擴展，每一次擴展均伴隨染色體結構重排。每一個新形成的“演化層”均開始顯現退化跡象，即轉座元件大量堆積、功能基因逐漸丟失、重復序列持續擴張，最終塑造了如今所見龐大且復雜的Y染色體結構。
研究揭示，性染色體的演化并非單一模式，而是由多種途徑、不同時間尺度和復雜機制共同塑造的動態過程。該研究有助于學界更深入地理解生命多樣性起源，為關鍵農作物的育種和氣候變化下物種存續提供了新的啟示。隨著更多植物物種的基因組被測序，團隊將進一步揭示植物性別決定和性染色體的演化規律。
相關研究成果發表在《中國科學：生命科學》（Science China. Life Science）上。
論文鏈接
XY系統中Y染色體的演化路徑，包括巨型Y染色體形成途徑。
本文鏈接：科研人員解析多種植物性別決定機制及性染色體演化路徑http://www.sq15.cn/show-12-2103-0.html
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