福建科研人員找到番木瓜性別分化背后的原因

寒露已過，全省氣溫下降明顯。在泉州市森誠農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司種植基地，10畝木瓜園卻是一片綠油油，掛滿了大大小小的果實。

在省農(nóng)科院果樹研究所科技人員熊月明、周平等人的幫助下，今年該基地采取稻草、遮陽網(wǎng)等覆蓋地面，早晚噴水，降低土壤溫度，確保產(chǎn)量不會因剛剛過去的高溫天氣而減少。

改變外界環(huán)境條件，避免高溫減產(chǎn)，是栽培番木瓜的關(guān)鍵。因為高溫干旱會導(dǎo)致番木瓜兩性株出現(xiàn)趨雄現(xiàn)象，即雌蕊敗育，導(dǎo)致不能正常結(jié)果。但隨著研究人員在實驗室里的最新發(fā)現(xiàn)，上述基地的番木瓜再遇高溫天氣，或可從番木瓜內(nèi)部另辟蹊徑，實現(xiàn)增產(chǎn)。

花性變化影響產(chǎn)量

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺的《特色農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域布局規(guī)劃（2013—2020年）》，粵桂南部、滇東南和閩南是番木瓜特色果品優(yōu)勢區(qū)域。海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2021年，我省番木瓜出口量占全國的32.76%，出口金額占比高達(dá)33.67%。

周平說，要增產(chǎn)，就要了解番木瓜的花性與株性背后的關(guān)聯(lián)。“找到原因，增加正常花比例，減少性別異?；òl(fā)生，對于生產(chǎn)果實的作物至關(guān)重要。”

今年4月，省農(nóng)科院果樹研究所與福建農(nóng)林大學(xué)、美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校等單位聯(lián)合在全球頂級園藝學(xué)雜志《園藝研究》上發(fā)表論文，系統(tǒng)闡述了基因組甲基化修飾及激素作用對番木瓜性別特征形成和性染色體演化的影響。

作為論文第一作者，周平說：“番木瓜花性變化會直接影響產(chǎn)量。我想要進(jìn)入它們的微觀世界中找出原因，未來有望‘治本’，提高產(chǎn)量。”

周平發(fā)現(xiàn)，番木瓜高溫趨雄，是因為司空見慣的植物激素。“生長素的過多積累，會影響到雌蕊，令其趨雄。”

論文首次報道：“在番木瓜性染色體決定性別的基因區(qū)段存在著高水平的甲基化修飾。”“在基因區(qū)段中，基因本該開啟或關(guān)閉的狀態(tài)發(fā)生了改變，從而影響番木瓜中不同性別特征的出現(xiàn)。”

這兩個發(fā)現(xiàn)，令周平喜出望外。

他與番木瓜的“結(jié)緣”要從2008年說起。彼時，剛到省農(nóng)科院工作的周平主要研究果樹生理生化，番木瓜高溫趨雄，是他遇到的難題中最“撓人”的一個。

“民間常說，番木瓜分公母，也衍生了不少土方法讓公樹結(jié)果。我也試過，在公樹上砍上幾刀、用鋤頭把根弄傷、在番木瓜基部釘釘子等等。”但這些辦法對他栽培的趨雄番木瓜樹基本無效。

2014年，他選擇“回爐再造”，到福建農(nóng)林大學(xué)在職攻讀博士研究生。“我的導(dǎo)師明瑞光兼任美國伊利諾伊大學(xué)香檳校區(qū)植物生物學(xué)系教授，常年鉆研番木瓜趨雄背后的原因。”

同一年，在福建農(nóng)林大學(xué)校區(qū)中華植物園試驗地，周平播下了第一批番木瓜種子，雌雄異株，經(jīng)過連續(xù)多代人工授粉雜交純化而成。“這樣，所得雄雌后代均源自同一親本，為接下來的實驗排除干擾。”

由此，周平正式踏入番木瓜的微觀世界。

反其道而行之獲突破

據(jù)介紹，近幾年，隨著番木瓜中性染色體的發(fā)現(xiàn)，學(xué)術(shù)界認(rèn)為其性別由三條染色體控制，雌性為XX，雄性為XY，雌雄同花為XYh。

其中，兩性株（XYh）應(yīng)用于果樹生產(chǎn)，是構(gòu)成產(chǎn)量的主要結(jié)果株。“基因組研究證實，兩性株番木瓜是在4000年前由原始的雄性（XY）番木瓜祖先演化而來，可能是人類發(fā)現(xiàn)、馴化、選擇的結(jié)果。”周平說。

2015年11月，周平所在的明瑞光團隊采集了番木瓜雄株、雌株、兩性株上的雄花、雌花和正常、高溫趨雄兩性花，利用當(dāng)時最先進(jìn)的高通量測序手段，檢測發(fā)現(xiàn)“高溫趨雄兩性花中的生長素作用很強”。

受此啟發(fā)，一開始，周平選擇給番木瓜補充生長激素。2016年的盛夏，他每天頂著烈日爬上3米高的梯子，在番木瓜頂端噴灑生長激素，一待就是2個小時。兩個月后，他失望了。“試驗了各種濃度的生長激素，都敗育了。”

破罐子破摔，周平突發(fā)奇想，干脆反著來——第二年，他用生化抑制劑干擾阻斷生長素運輸！

“剛開始，花序上出現(xiàn)一些細(xì)長筒狀的雄花，這是由于花中雄蕊減少造成的。此后，新抽生的花序上開始出現(xiàn)一些類似兩性花的性轉(zhuǎn)變雄花。雄花中敗育雌蕊重新發(fā)育！”驚喜一個接一個。

周平分析，要保證雌蕊的正常發(fā)育，需要一個合適范圍內(nèi)的生長素激素作用，不能太多也不能太少。“這也解釋了，為何一開始我的實驗碰壁。”

2019年，當(dāng)周平完成博士研究生后，仍然沉浸于番木瓜的微觀世界中。

這一次，他通過全基因組甲基化測序，發(fā)現(xiàn)不同性別番木瓜花的甲基化水平，都會隨季節(jié)性波動。“進(jìn)入夏季后，雄樹、雌樹、兩性樹幼花的基因組甲基化修飾水平趨向一致。”他解釋說，但在夏季，雌樹不受影響，可正常開花結(jié)果。

“這意味著，造成不同性別番木瓜花甲基化差異的因子和番木瓜性別決定因子并不一致。”周平說，一直以來，學(xué)術(shù)界猜想“番木瓜花甲基化差異的因子也會影響到它們的性別”，但他的發(fā)現(xiàn)與這個猜想在某種程度上背道而馳。

到目前為止，只在40種左右的植物中鑒定出了性染色體的存在。在此次番木瓜“性別大戰(zhàn)”中，周平通過多組學(xué)聯(lián)合分析，更新了學(xué)界對番木瓜性別決定過程中遺傳和表觀遺傳因素作用的認(rèn)識，揭示了番木瓜性別分化和性染色體演化的復(fù)雜性。

“我只是邁出一小步，仍有如大海般廣闊的未知領(lǐng)域，等待我們的探究。”周平說。（記者 林霞）