Science經典再起波瀾 | 表觀遺傳調控植物的性別分化（續）

來自專欄菜鳥學飛記4 人贊了文章

俗話說：「文似看山不喜平」。一個好故事，總要一波三折才算精彩。我們平時總愛稱寫paper為講故事。其實，做科研的過程比那書中的故事要精彩千百倍，經常是一波未平一波又起，充滿著各種曲折離奇。

在《Science經典解讀 | 表觀遺傳調控植物的性別分化》一文中，我為大家解讀了日本京都大學的研究人員2014年發表在Science上的研究成果。他們以二倍體柿子為實驗材料，鑒定到了一個位於Y染色體上的基因OGI。該基因編碼一類小分子RNA，特異識別常染色體上的基因MeGI。MeGI屬於同源異型結構域轉錄因子（homeodomain transcription factors）家族，特異地在發育中的雌花中高表達，抑制雄蕊的發育；而雄株Y染色體上的OGI編碼的小RNA，會抑制MeGI的表達，使雄蕊正常發育，從而使二倍體柿子發生了雌雄株的分化。

古希臘哲學家芝諾曾說過這樣一句話：「人的知識就好比一個圓圈，圓圈裡面是已知的，圓圈外面是未知的。你知道得越多，圓圈也就越大，你不知道的也就越多。」這句話說明了人類探索未知世界的過程是永無止境的。相信每一個科研從業者都深有體會：做科研永遠沒有放鬆和喘息的機會，經常是一個問題解決了，後面還有更多的問題等著我們來回答。

在Takashi Akagi等人發表了上述Science文章後，並沒有因為發表了牛文而洋洋自得，止步不前。相反，他們很快鎖定了下一步的研究目標，立刻馬不停蹄，開始了新一輪的攻堅戰。

在Science文章的解讀中我們提到，二倍體柿子為雌雄異株，它們可分為兩種性別：雌株，只開雌花，染色體為XX；雄株，只開雄花，染色體為XY。而二倍體柿子的近親六倍體柿子則不同，它們的性別有點亂，也分為兩種：雌株，只開雌花，染色體為XXXXXX；雌雄同株，既有雌花也有雄花，染色體組成為XXXXYY或者XXXXXY。也就是說，和二倍體柿子不同，在六倍體柿子中，含有Y染色體的植株上既有雌花也有雄花。這到底是什麼原因導致的呢？

按照Science文章中的結論，影響二倍體柿子性別分化的因素有兩個，Y染色體上的假基因OGI和常染色體上的基因MeGI。那麼這兩個基因在六倍體柿子中的狀態是什麼樣的呢？

研究人員首先檢測了雌花和雄花中MeGI基因的表達情況，發現雌花中MeGI基因的表達量很高，而雄花中的表達量卻很低；並且雄花中由MeGI衍生的小RNA很多，雌花中則幾乎檢測不到，這和二倍體柿子中的情況是一樣的。另外，在六倍體柿子MeGI基因的啟動子和編碼區域只找到了2個SNP位點，並且這兩個位點都沒在基因的關鍵區域。以上結果說明，MeGI基因對花的性別的影響，在二倍體和六倍體柿子中是保守的。

在二倍體柿子中，Y染色體上的OGI基因編碼的小RNA在雄花中高表達，降低MeGI的含量，使雄蕊正常發育。那麼，是不是六倍體柿子的OGI出現了什麼差錯呢？令人吃驚的是，在六倍體柿子的雄花中，竟然檢測不到OGI的表達。並且二者中OGI的序列相似性達到96%，都有相似的髮夾結構，暗示著他們具有相同的功能。那麼，到底是什麼導致OGI不表達呢？進一步研究發現，在OGI的啟動子區域有一個268bp的片段插入，它是一個SINE (short interspersed nuclear element)-like反轉座子原件，將其命名為Kali。Kali處表現出較高的甲基化程度，抑制了OGI的表達。

按照二倍體柿子中的理論，既然OGI基因無法表達，那麼染色體組成為XXXXYY或者XXXXXY的植株中MeGI的表達都應該很高，都應該為雌花才對，那麼雄花是如何產生的呢？研究發現，在MeGI的啟動子和基因序列上，一共發現了三個甲基化區域，並且雄花中的甲基化程度要遠遠高於雌花。同時，MeGI的甲基化會以某種未知的方式使smMeGI累積，這就導致了雄花中MeGI mRNA被降解，使雄蕊正常發育。進一步用甲基化抑製劑處理雄性花蕾後發現，雄蕊的發育被抑制，雌蕊的發育被促進。以上結果說明，六倍體柿子中，MeGI對花性別的影響，是受其甲基化水平調控的。

至此，六倍體柿子中，表觀遺傳水平對花性別的決定機制已逐漸清晰：在雌株中（XXXXXX），MeGI基因的表達量高，抑制雄蕊的發育，所結的花都為雌花。在雌雄同株中（XXXXYY或XXXXXY），Y染色體上的OGI啟動子區域插入的SINE原件具有較高的甲基化程度，抑制了基因的表達；一些花枝中MeGI高表達，形成雌花；同時，隨著發育的進行，一些花枝中MeGI基因的啟動子和基因序列區域出現不同程度的甲基化，並以某種未知的方式激活smMeGI的累積，導致MeGI mRNA的降解，發育成雄花。由於甲基化水平可以累積和重置，因此後代花枝上所結花的性別是可以轉換的。與二倍體柿子中基因對性別的決定相比，六倍體柿子通過甲基化水平影響花的性別是一種更為靈活的方式。

以上成果以Epigenetic regulation of the sex determination gene MeGI in polyploid persimmon為題，於2016年發表在國際知名學術期刊The Plant Cell上。

不禁再一次感嘆大自然的偉大！我們的作家，往往需要「批閱十載，增刪五次」， 不知燒死多少腦細胞，才能創作出精彩絕倫的故事。而大自然這樣一位偉大的藝術家，他的大筆隨便一揮，便是一個讓人拍案叫絕的傳奇。而每一個史詩般的故事，都足以讓全世界的科學家花費他們畢生的心血，去苦苦追尋隱藏在背後的真相！

【參考文獻】

1. Akagi, T., Henry, I. M., Tao, R., & Comai, L. (2014). A Y-chromosome–encoded small RNA acts as a sex determinant in persimmons. Science, 346(6209), 646-650.

2. Akagi, T., Henry, I. M., Kawai, T., Comai, L., & Tao, R. (2016). Epigenetic regulation of the sex determination gene MeGI in polyploid persimmon. The Plant Cell, tpc-00532.