与性别相对固定的高等动物不同，植物的“性别表现”丰富多样。然而，为最大限度地促进不同个体间的杂交，避免“近亲繁殖”，部分植物演化出类似动物的雌雄异株策略，即一株植物仅开雌花，另一株仅开雄花。尽管这类植物在种类上不占多数，但它们广泛分布在超过一半的被子植物科中，表明这种策略在演化史上曾多次独立出现。
近日，中国科学院华南植物园研究团队利用基因测序技术，解析了多种植物的性别决定机制及性染色体演化路径。
植物在同型性染色体阶段，X和Y染色体相似，大部分区域可自由重组；异型性染色体阶段，Y染色体或因长期缺乏重组而积累突变、重复序列和转座元件，发生基因丢失，最终变得巨大或退化。在石竹科蝇子草属植物中，团队研究了巨型Y染色体的起源与演化机制。
以Silene latifolia为例，其Y染色体长度约达5.1亿碱基，超过许多植物整个基因组规模。研究表明，该物种的X与Y染色体之间的重组抑制并非一次性完成，而是逐步形成的，如同地质学中的地层堆积，留下了清晰的“演化层”痕迹。通过同源基因对比，三个演化层的分化时间分别约为1180万年、540万年和440万年前。在最古老的演化层中，Y染色体上超70%的基因已丢失，而靠近假常染色体区域的基因则保存相对完整。
经典模型认为，植物性别分化通常需要促进雄蕊发育的突变（雄性功能）和抑制雌蕊发育的突变（雌性功能）两个关键突变。在Silene latifolia中，团队识别出与这两项功能相对应的候选基因——SlCLV3（雌蕊抑制因子）和TWD1等（雄蕊促进因子）。该发现从分子层面验证了“两次突变模型”在植物雌雄异株演化过程中的合理性。
基于上述结果，团队提出Silene latifolia Y染色体逐步演化模型。最初，性别决定基因及其相关基因位于普通染色体上，仍可自由重组。为固定有利的基因组合，自然选择首先“锁定”了核心区域的基因交流。随后，这种重组抑制如涟漪般向外扩展，每一次扩展均伴随染色体结构重排。每一个新形成的“演化层”均开始显现退化迹象，即转座元件大量堆积、功能基因逐渐丢失、重复序列持续扩张，最终塑造了如今所见庞大且复杂的Y染色体结构。
研究揭示，性染色体的演化并非单一模式，而是由多种途径、不同时间尺度和复杂机制共同塑造的动态过程。该研究有助于学界更深入地理解生命多样性起源，为关键农作物的育种和气候变化下物种存续提供了新的启示。随着更多植物物种的基因组被测序，团队将进一步揭示植物性别决定和性染色体的演化规律。
相关研究成果发表在《中国科学：生命科学》（Science China. Life Science）上。
论文链接
XY系统中Y染色体的演化路径，包括巨型Y染色体形成途径。
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