雌雄異型異熟（heterodichogamy）是雌雄異熟的一種特殊形式，根據(jù)同一植株中雌花和雄花成熟的先后順序，可分為雌先型（protogyny, PG）和雄先型（protandry, PA）兩種交配類型。同一交配類型的雌雄花期相互錯開，而不同交配類型的雌雄花期則趨于同步，可以有效地避免自交、促進異交。青錢柳（Cyclocarya paliurus）作為胡桃科重要的木本藥用植物，不僅富含三萜類和黃酮類等活性物質(zhì)，還具有雌雄異型異熟的開花特性。這種開花機制在胡桃科植物的生殖適應與遺傳多樣性維持中具有重要意義，但其分子調(diào)控機制尚未被闡明。

近日，“森林食物資源挖掘與利用全國重點實驗室”南京林業(yè)大學青錢柳團隊聯(lián)合多家單位在Horticuture Research在線發(fā)表題為Differential methylation analysis of floral buds between two morphs unravels the contributions of key genes to flowering time in heterodichogamousCyclocarya paliurus的研究論文，首次構建了青錢柳兩種交配類型雌雄花的單堿基分辨率DNA甲基化圖譜，從表觀遺傳學層面揭示了其開花時序的調(diào)控機制，為研究雌雄異型異熟植物的開花特性提供了新的視角。

該研究以二倍體（2n = 2x = 32）青錢柳伸長期的雌雄花序為研究對象，通過全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS），發(fā)現(xiàn)同一交配類型中先行花（dipA_M和dipG_F）的整體DNA甲基化水平（尤其在CHH序列環(huán)境中）高于后續(xù)花（dipA_F和dipG_M）（圖1）。由此推測DNA甲基化可能扮演著“啟動開關”的角色，調(diào)控青錢柳雌雄花的開放時序。

圖1 不同交配類型青錢柳雌雄花的差異甲基化分析

通過DNA甲基化組和轉錄組聯(lián)合分析，獲得了38個在不同交配類型雌雄花之間同時存在甲基化差異和表達差異的基因，涉及光周期途徑、赤霉素途徑、海藻糖-6-磷酸信號途徑以及花分生組織特性基因（圖2）。這些差異基因構成了一個復雜的成花調(diào)控網(wǎng)絡，參與青錢柳雌雄異型異熟的開花過程。值得注意的是，在胡桃屬和楓楊屬植物中篩選到TPPs基因家族為雌雄異型異熟性狀的關鍵遺傳位點（Groh et al., 2025; Liu et al., 2025），在青錢柳中也檢測到了TPPD和TPPF基因的差異表達，為胡桃科雌雄異型異熟交配系統(tǒng)的調(diào)控機制再添證據(jù)。

圖2 青錢柳開花途徑相關基因的表達與甲基化分析

通過異源過表達擬南芥以及甲基化抑制劑5-氮雜胞苷（5-azaC）田間處理二倍體植株進行雙重驗證，發(fā)現(xiàn)CpHd16、CpTPPD和CpFTIP3基因的過表達均推遲了擬南芥的花期（圖3）。而5-azaC處理不僅延緩了青錢柳雌雄花的發(fā)育進程，還改變了CpTPPD和CpFTIP3的甲基化狀態(tài)與表達水平（圖4），推測這些基因可能通過甲基化調(diào)控介導了青錢柳的開花過程。

圖3 CpTPPD、CpHd16和CpFTIP3的異源過表達延遲了開花

綜上，該研究揭示了DNA甲基化在青錢柳雌雄異熟形成中的潛在作用，對解析植物交配系統(tǒng)的起源和演化具有深遠意義。

圖4 5-azaC處理對青錢柳開花時間及相關基因表達的影響

南京林業(yè)大學林草學院王倩博士（現(xiàn)任職于安徽省農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所）和在讀博士余延浩為論文共同第一作者。南京林業(yè)大學洑香香教授和浙江海洋大學瞿印權博士為論文共同通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金和江蘇省研究生科研與實踐創(chuàng)新計劃的資助。

Groh, J.S., et al. (2025). Ancient structural variants control sex-specific flowering time morphs in walnuts and hickories. Science 387, eado5578.

Liu, H.S., et al. (2025). A pan-genome framework reveals structural variation and small RNA regulation underlying heterodichogamy in Pterocarya. Current Biology. 35, 1-13.

論文鏈接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhaf296