一位女士举起一片 Kerriodoxa elegans 的叶片,它看起来像一把长满尖刺的扇子。
细胞、基因和分子

是什么原因导致两种相距遥远的棕榈树物种选择了相同的性繁殖策略?

在远亲棕榈中发现的罕见性染色体揭示了显著的趋同进化,有可能彻底改变果树作物的育种方式。

https://www.botany.one/what-made-two-distant-palm-species-choose-the-same-sexual-strategy/

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在动物界,性别分离通常基于进化史上很早形成的性染色体。但在植物界,情况就复杂得多。虽然大多数植物的花是两性花,包含雄性和雌性器官,但约有10%的植物物种的花是单性花,只有雄性和雌性之分。在这些单性花中,雌雄花可能生长在同一株植物上(雌雄同株;例如玉米、黄瓜),也可能生长在不同的植株上(雌雄异株;例如芦笋、菠菜)。

更为罕见的是,雌雄异株的被子植物种类不足100种,分属30个属,它们依靠性染色体来决定雄性和雌性的解剖结构。这些性染色体包含参与花朵性发育的关键基因。而且,与动物一样,雄性和雌性染色体之间的重组受到抑制。

棕榈科(Arecaceae)在这方面尤其引人注目——约80%的棕榈物种具有单性花,而所有被子植物中只有10%的物种具有单性花。这些单性花物种中,大约一半是雌雄同株,30%是雌雄异株,其余的则具有中间性状或其他变异,包括性染色体。因此,一项新的研究表明…… Annals of Botany 以两种亲缘关系较远的棕榈树为模型系统,阐明了植物单性生殖的发展。

Tessarotto 等人写道:“性别决定基因如何产生性染色体典型的非重组区域的起始和扩展仍然是一个悬而未决的问题。”

已知拥有性染色体的物种之一是椰枣树(海枣Tessarotto等人研究了椰枣树的DNA序列是否可以用来识别其他具有性染色体的棕榈树物种,结果发现可以。他们在白背棕榈中发现了性染色体(线虫白背棕榈是椰枣树的远亲。因此,白背棕榈代表了这种罕见性别决定方式的新成员,也是趋同进化的一个激动人心的例子。

“我们证明 秀丽隐杆线虫 [白背棕榈]和 假单胞菌 Tessarotto等人写道:“椰枣树,这两个大约在66万年前分化的棕榈物种,具有相似的XY性连锁区域。这种趋同进化在已知的植物性染色体中似乎是独一无二的。”

为了确定白背棕榈是否具有性染色体,Tessarotto等人从枣椰树和白背棕榈的雄性和雌性植株叶片中提取了DNA。他们对提取的DNA进行测序,并与公开的棕榈雄性和雌性数据集进行比对,以识别与性别相关的基因。

Tessarotto 等人通过比较棕榈树的 DNA,得出结论:这两个物种的性染色体在 10 万至 40 万年前独立进化,这是趋同进化的一个例子,它们采用了相同的 DNA 区域。

“我们的研究结果提出了一个问题,即我们所确定的区域是否在 假单胞菌 和 秀丽隐杆线虫 Tessarotto等人写道:“这或许在其他棕榈物种中产生了性染色体。一个3Mb的DNA区域仅仅因为偶然的原因两次进化出重组抑制机制,这似乎极不可能。”

识别性别相关基因的能力具有农艺学意义。

Tessarotto 等人写道:“鉴于几种棕榈树作为重要作物的重要性,只有雌性才能结果和结籽,这些基因可用于开发遗传性别标记,从而可以早期选择具有高附加值的雌性植物,避免等待长达 15 年的性别表型显现。”

遗传性别标记还可以加快培育出能够适应气候变化和其他环境因素的枣椰品种的速度。

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Tessarotto, H.、Beulé, T.、Cherif, E.、Orjuela, J.、Farhat, P.、Lindström, A.、Lemansour, A.、Santoni, S.、Käfer, J. 和 Aberlenc, F. (2025)“两个棕榈物种(凤凰海枣和 Kerriodoxa elegans)性染色体的趋同进化,” Annals of Botany,(mcaf191)。可访问: https://doi.org/10.1093/aob/mcaf191


封面图片: 线虫 在印度尼西亚 Jeanne Benioff / iNaturalist. 抄送.

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作者

Sarah Covshoff

莎拉是一位植物分子生物学家,她热衷于向普通大众和专家普及自然界的科学知识。她曾从事C4光合作用的博士后研究,现在专注于科学传播。

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