多组学揭示了雌雄异株植物——康定柳的性别二态性和生殖投资成本

发表期刊：Horticulture Research   

发表时间：2021.6

影响因子：5.404/农林科学一区

合作客户：中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所

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1.研究背景

康定柳（Salix paraplesia Schneid.）作为高山生态系统保护的先锋树种，广泛分布于青藏高原东部，属于典型的雌雄异株植物。雌雄异株植物占被子植物的约6%左右，雌雄个体间通常存在性别二态性，其中包括了成熟个体在开花期的生殖投资成本差异和花器官的表型差异。然而，在授粉前的开花阶段，雌雄个体的生殖投资成本差异如何并不清楚。

近日，百趣生物协助四川大学生命科学学院张胜教授团队在Horticulture Research在线发表了题为Sex-biased genes and metabolites explain morphologically sexual dimorphism and reproductive cost in Salix paraplesia catkins的关于多组学揭示了雌雄异株植物——康定柳的性别二态性和生殖投资成本的论文。

2.实验分组

花期早期：5株雄性花朵和5株雌性花朵（2018.3.9）

花期盛花期：5株雄性花朵和5株雌性花朵（2018.3.29）

花期晚期：5株雄性花朵和5株雌性花朵（2018.4.18）

3.实验方法

本研究利用表型和营养分析、代谢组学（n=5、GC-TOF-MS）和转录组学（n=3）等分析手段，于授粉前开花三个阶段(早期、盛花期和晚期)，对康定柳雌雄花序的性别差异进行了比较分析。

4.实验结果

1. 柳树雄花雌花的形态和营养水平的二态性

与雌花相比，柳树雄花在三个花期均有较长的柔荑花序和较大的投影面积(图1和图2a, b)。此外，我们还发现三个花期的柔荑干重存在显著的性别差异(图2c)。有趣的是，随着花的发育，生物量积累存在性别差异。与雌花不同，雄花的生物量在花期和花期之间没有显著差异，说明雄花的繁殖投资可能是为了消耗能量而不是积累生物量。通过对养分浓度和花生物量的综合分析表明，授粉前，雄株可能比雌株向花中投入更多的养分。

三个花期雄花的C、N、P含量均显著高于雌花(图3a-c)。在开花早期和盛花期，雌花的C/P值较高，雄花的C/N值较高，而在花期晚期雌花表现出较高的N/P比率。

2. 柳树花朵基因表达模式的二态性

使用DESeq2 R包(1.16.1)43进行转录组样本组间差异表达分析( n=3)。经DESeq2鉴定，校正后p值< 0.05的基因被认为是差异表达基因(DEGs)。将那些仅在单性群体中表达的基因(FPKM > 1)定义为限性基因。同一花期雄性和雌性群体间的差异基因被定义为性别偏置基因。

1）结果表明，雌花在盛花期和晚期表现出的基因表达模式与早期相似，而雄花晚期的基因表达与早期差异最大(图4a)。性别偏置基因的数量从早期的3751个增加到晚期的9719个(图4a, b)，而且雄花在所有花期的基因表达都比雌花多。另外，不同性别的花样本可以被PC2明显分开，说明雄花和雌花在同一时期表现出表达变异(图4c)。层次聚类分析表明，雄花和雌花在早期表现出更多相似的基因表达模式(图4d)。我们还发现只有4.70%的性别偏倚基因在所有三个阶段都表现出性别偏倚表达。其中，48.3%的基因在前两个阶段没有表现出性别偏置的表达，这表明性别偏倚的基因是多变的(图4e)。

2）在三个开花阶段，分别有529、634和1536个性别偏置基因注释到112、115和117个KEGG通路中，并在15、18和23个KEGG通路中显著富集(P< 0.05)(图5)。黄酮类化合物的生物合成途径均在盛花期和晚期显著富集，这些丰富的途径与颜色的发展有关。此外，在花期早期，性别偏置基因在植物激素信号转导途径以及参与光合作用的3条途径和参与碳水化合物代谢的5条途径中也显著富集。在盛花期，植物-病原体互作、光合作用、脂肪酸代谢和降解以及次生代谢中性别偏性基因显著富集。在花期晚期，性别偏置基因显著富集于核糖体和DNA复制中，与细胞增殖有关。所有这些富集途径都与雄花和雌花的生长和繁殖代价的差异有关。

3. 柳树雌花和雄花的代谢物差异特征

花类样品共鉴定出256个代谢物，其中216个代谢物注释到KEGG数据库。在主成分分析中，PC1(18.10%)和PC2(12.10%)可以将不同时期的开花样本分开(图6b)。此外，OPLS-DA分析表明，同一时期的雄花和雌花样本表现出显著不同的代谢谱(图6c)。此外，我们鉴定了61、45和36个代谢物，它们的含量在三个时期的雄花和雌花之间存在显著差异(VIP > 1, P< 0.05)。在三个花期中，仅有5.6%的性别分化代谢物的含量存在性别差异，这表明花的性别二态性随花的发育而变化(图6d)。有趣的是，在不同阶段鉴定的性别分化代谢物中，大多数都在相同的代谢途径中富集，如丁酸盐代谢和丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢(图7)。

5.结论

花朵的性二态性是由于在交配过程中具有不同的雄性和雌性结构以及不同的生殖角色而获得的整体适应性增加的结果。作者研究发现，在花期，雌雄花在表型、代谢和转录水平上存在显著的二态性。与雌花相比，雄性花表现出更多的性别偏倚性基因表达。这些基因表达和代谢谱的差异不仅导致了花的初级性二型，即雄性雄蕊和雌性雌蕊，而且还导致了花在形态和生长方面的次级性二型。(图8)

转录组和代谢组分析表明康定柳雌雄花序的性别二态性和生殖投资的差异涉及到呼吸代谢、激素信号转导、酚类和类黄酮代谢以及胡萝卜素代谢等关键代谢通路。相较于雌花，雄花中较低的DELLA蛋白基因表达(Sapur.010G083400)可能使其对赤霉素信号更敏感，进而导致更长的雄花序。雌花中卟啉和叶绿素代谢中基因表达更高且叶绿素含量更高，而类胡萝卜素代谢中基因表达在雄花中更高，这可能导致了雌花序颜色更绿而雄花序表现出黄色或红色的表型。

研究还发现，在糖酵解、三羧酸循环(TCA cycle)途径中，大量基因在雄花中高表达，进而导致酮戊二酸、琥珀酸和苹果酸等TCA通路中间代谢物在雄花中含量较高，而蔗糖和草酰乙酸则在雌花中含量较高，雄花可能消耗了更多的蔗糖，并且将更多的草酰乙酸转化成磷酸烯醇式丙酮重新进入三羧酸循环(图9)。这表明雄花在授粉前具有更强的碳水化合物消耗代谢。综上所述，在授粉前，雄花投资繁殖成本显著高于雌株，这是因为雄株要大量传粉，较多的投资成本可以增加其传粉成功率。