多組學揭示了雌雄異株植物——康定柳的性別二態性和生殖投資成本
發表期刊：Horticulture Research
發表時間：2021.6
影響因子：5.404/農林科學一區
合作客戶：中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所
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1.研究背景
康定柳（Salix paraplesia Schneid.）作為高山生態系統保護的先鋒樹種，廣泛分布于青藏高原東部，屬于典型的雌雄異株植物。雌雄異株植物占被子植物的約6%左右，雌雄個體間通常存在性別二態性，其中包括了成熟個體在開花期的生殖投資成本差異和花器官的表型差異。然而，在授粉前的開花階段，雌雄個體的生殖投資成本差異如何并不清楚。
近日，百趣生物協助四川大學生命科學學院張勝教授團隊在Horticulture Research在線發表了題為Sex-biased genes and metabolites explain morphologically sexual dimorphism and reproductive cost in Salix paraplesia catkins的關于多組學揭示了雌雄異株植物——康定柳的性別二態性和生殖投資成本的論文。
2.實驗分組
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.實驗方法
本研究利用表型和營養分析、代謝組學（n=5、GC-TOF-MS）和轉錄組學（n=3）等分析手段，于授粉前開花三個階段(早期、盛花期和晚期)，對康定柳雌雄花序的性別差異進行了比較分析。
4.實驗結果
1. 柳樹雄花雌花的形態和營養水平的二態性
與雌花相比，柳樹雄花在三個花期均有較長的柔荑花序和較大的投影面積(圖1和圖2a, b)。此外，我們還發現三個花期的柔荑干重存在顯著的性別差異(圖2c)。有趣的是，隨著花的發育，生物量積累存在性別差異。與雌花不同，雄花的生物量在花期和花期之間沒有顯著差異，說明雄花的繁殖投資可能是為了消耗能量而不是積累生物量。通過對養分濃度和花生物量的綜合分析表明，授粉前，雄株可能比雌株向花中投入更多的養分。
三個花期雄花的C、N、P含量均顯著高于雌花(圖3a-c)。在開花早期和盛花期，雌花的C/P值較高，雄花的C/N值較高，而在花期晚期雌花表現出較高的N/P比率。
2. 柳樹花朵基因表達模式的二態性
使用DESeq2 R包(1.16.1)43進行轉錄組樣本組間差異表達分析( n=3)。經DESeq2鑒定，校正后p值< 0.05的基因被認為是差異表達基因(DEGs)。將那些僅在單性群體中表達的基因(FPKM > 1)定義為限性基因。同一花期雄性和雌性群體間的差異基因被定義為性別偏置基因。
1）結果表明，雌花在盛花期和晚期表現出的基因表達模式與早期相似，而雄花晚期的基因表達與早期差異最大(圖4a)。性別偏置基因的數量從早期的3751個增加到晚期的9719個(圖4a, b)，而且雄花在所有花期的基因表達都比雌花多。另外，不同性別的花樣本可以被PC2明顯分開，說明雄花和雌花在同一時期表現出表達變異(圖4c)。層次聚類分析表明，雄花和雌花在早期表現出更多相似的基因表達模式(圖4d)。我們還發現只有4.70%的性別偏倚基因在所有三個階段都表現出性別偏倚表達。其中，48.3%的基因在前兩個階段沒有表現出性別偏置的表達，這表明性別偏倚的基因是多變的(圖4e)。
3. 柳樹雌花和雄花的代謝物差異特征
花類樣品共鑒定出256個代謝物，其中216個代謝物注釋到KEGG數據庫。在主成分分析中，PC1(18.10%)和PC2(12.10%)可以將不同時期的開花樣本分開(圖6b)。此外，OPLS-DA分析表明，同一時期的雄花和雌花樣本表現出顯著不同的代謝譜(圖6c)。此外，我們鑒定了61、45和36個代謝物，它們的含量在三個時期的雄花和雌花之間存在顯著差異(VIP > 1, P< 0.05)。在三個花期中，僅有5.6%的性別分化代謝物的含量存在性別差異，這表明花的性別二態性隨花的發育而變化(圖6d)。有趣的是，在不同階段鑒定的性別分化代謝物中，大多數都在相同的代謝途徑中富集，如丁酸鹽代謝和丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝(圖7)。
5.結論
花朵的性二態性是由于在交配過程中具有不同的雄性和雌性結構以及不同的生殖角色而獲得的整體適應性增加的結果。作者研究發現，在花期，雌雄花在表型、代謝和轉錄水平上存在顯著的二態性。與雌花相比，雄性花表現出更多的性別偏倚性基因表達。這些基因表達和代謝譜的差異不僅導致了花的初級性二型，即雄性雄蕊和雌性雌蕊，而且還導致了花在形態和生長方面的次級性二型。(圖8)
轉錄組和代謝組分析表明康定柳雌雄花序的性別二態性和生殖投資的差異涉及到呼吸代謝、激素信號轉導、酚類和類黃酮代謝以及胡蘿卜素代謝等關鍵代謝通路。相較于雌花，雄花中較低的DELLA蛋白基因表達(Sapur.010G083400)可能使其對赤霉素信號更敏感，進而導致更長的雄花序。雌花中卟啉和葉綠素代謝中基因表達更高且葉綠素含量更高，而類胡蘿卜素代謝中基因表達在雄花中更高，這可能導致了雌花序顏色更綠而雄花序表現出黃色或紅色的表型。
研究還發現，在糖酵解、三羧酸循環(TCA cycle)途徑中，大量基因在雄花中高表達，進而導致酮戊二酸、琥珀酸和蘋果酸等TCA通路中間代謝物在雄花中含量較高，而蔗糖和草酰乙酸則在雌花中含量較高，雄花可能消耗了更多的蔗糖，并且將更多的草酰乙酸轉化成磷酸烯醇式丙酮重新進入三羧酸循環(圖9)。這表明雄花在授粉前具有更強的碳水化合物消耗代謝。綜上所述，在授粉前，雄花投資繁殖成本顯著高于雌株，這是因為雄株要大量傳粉，較多的投資成本可以增加其傳粉成功率。
