Science：植物的“性別大戰”

　　大多數人不知道這一點，我們在超市買的黃瓜只是雌性——育種者精心培育出只產雌花的黃瓜植株上結的果。但是農民們很早就知道，“雌性特征”是農業成功的影響因素——雌花比例越高，種子和果實的產量就越大，最近科學家們揭開了植物性別決定的分子基礎。

　　2015年11月6日在《Science》雜志上發表的一項研究中，以色列巴伊蘭大學生命科學學院的Rafael Perl-Treves教授及其同事表明，編碼 “純雄植物”——植物只產生雄花的一種狀態——的基因，可介導一種關鍵植物酶的產生，這種酶決定著一個早期萌芽是否將會發展成為一朵完全雄性或完全雌性的花。當在一個用顯微鏡可見的萌芽狀態中操縱這種酶的水平時，我們有可能任意指導花的性別“身份”。

　　植物王國的少數“中性”派

　　Perl-Treves說：“大多數植物是雌雄同體的，這意味著它們的每朵花都含有雄性和雌性的生殖器官，可產生花粉和種子。但是，我的研究集中在少數植物種類：百分之十的開花植物，其花只有雄性，或只有雌性的生殖結構。這是一個熱門話題，因為雌性花的比例越大，作物產量就越大。我們的研究表明，這些植物的一個特定家族，具有一種專門的性別決定策略：它們通過一種酶驅動的機制產生雌花，可抑制雄性器官的出現，并促進子房的發育。”

　　Perl-Treves是瓜類分子遺傳學專家，這個植物家族包括黃瓜、南瓜、西瓜和甜瓜。在這項研究和以前與其法國國家農業研究院（INRA）的同事Abdelhafid Bendahmane博士和Catherine Dogimont博士合作的研究中，Perl-Treves分離出了三個已知在瓜類性別表達中發揮作用的兩個基因（第三個基因在幾年前由另一個以色列科學家Tova Trebitsch博士分離出來）。現在，Perl-Treves和他的同事們已經破譯了介導黃瓜性別決定的分子機制。

　　Perl-Treves解釋說：“我們的工作重點是純雄體基因，其產生完全雄花的表型。我們發現，正是這個基因，也控制著雌花的產生。它通過產生一種酶——ACS11做到這一點，這種酶可限制一種天然植物激素（稱為乙烯）的生物合成。當ACS11活躍時——就是說，當乙烯是在正確的位置產生時，會發育出雌花。然而，當一個突變致使ACS11被抑制時，其結果是，在發育的花芽中具有較低水平的乙烯。在這種情況下，產生雄性花而不是雌性花。”

　　選擇你的（植物）性取向

　　Perl-Treves還沒有表征乙烯抑制雄花出現的確切分子機制。然而，他表示，發現這個基因介導的動態，可能已經具有重要的現實意義。

　　他說：“乙烯生產可以被定量的修改，從而使正在發育的植物發生性別轉換，甚至在分離出相關基因之前，研究人員可通過使用經典的雜交育種技術和化學激素處理，來完成性別的微調。既然我們了解了這個基因在性別決定中起到的非常特異性的作用，那么就有可能使用直接的DNA “診斷法”，來選擇具有農業優勢的植物。雖然這項研究主要涉及瓜類，但這種方法理論上可以為改善其他作物產量的策略奠定基礎。例如，在單性的樹木（如棕櫚和開心果）中，在苗圃期預測樹木性別的DNA測試，具有極大的經濟重要性，因為樹木的性別變得明顯（雌樹需要收獲果實），需要幾年的時間。”

　　這一發現也可以產生更高效、遺傳學為基礎的雜交育種方法，用于商業種子生產。

　　Perl-Treves解釋說：“通過雜交產生的雜交種子，種子生產者通過手動給花朵去勢，這是一個非常勞動密集的過程。現在我們知道了瓜類抑制雄性的機制，在未來的一段時間內，我們可以通過基因工程手段，將這種基于基因的機制用于非瓜類物種中。”

　　“性進化”的產物

　　在黃瓜中分離出性別決定基因后，Perl-Treves的同事也在甜瓜中發現了同樣的基因。像在兩個獨立的考古遺址發現一對同時鑄造的硬幣一樣，這個發現使人們有可能確定這一機制在植物歷史上發生的時間。

　　他說：“甜瓜和黃瓜是從同一個家族進化而來的兩個物種。根據這兩個物種在進化樹上分開的時間，我們可以估計，約一千萬年來，這種共享的遺傳機制一直都在決定著植物的性別。”

　　Perl-Treves說，在一個明顯更短的時間尺度上分離引起性別決定的DNA，還需要幾年密集的基因定位工作，仍有很長的科學道路要走。

　　他說：“我們未來的目標是，了解乙烯的生物合成究竟是如何抑制雄花、從而讓雌性出現的。這僅僅是一個關于植物繁殖的發育遺傳學問題，在未來可能會產生顯著的生物技術資產。”