Evidences for a role of two Y-specific genes in sex determination in Populus deltoides

第一作者：Liangjiao Xue

第一单位：南京林业大学

通讯作者：Tongming Yin

 Abstract 

背景+问题：Almost all plants in the genus Populusare dioecious (i.e. trees are either male or female), but it is unknown whether dioecy evolved in a common ancestor or independently in different subgenera.

主要研究：Here, we sequence the small peritelomeric X- and Y-linked regions of P. deltoides chromosome XIX.

结果1-两个Y连锁基因：Two genes are present only in the Y-linked region.

结果2-FERR-R基因：One is a duplication of a non-Y-linked, female-specifically expressed response regulator, which produces siRNAs that block this gene’s expression, repressing femaleness.

结果3-MSL基因：The other is an LTR/Gypsy transposable element family member, which generates long non-coding RNAs. Overexpression of this gene in A. thaliana promotes androecium development.

结果4-小叶杨：We also find both genes in the sex-determining region of P. simonii, a different poplar subgenus, which suggests that they are both stable components of poplar sex-determining systems.

结果5-山杨：By contrast, only the duplicated response regulator gene is present in the sex-linked regions of P. davidiana and P. tremula.

结论：Therefore, findings in our study suggest dioecy may have evolved independently in different poplar subgenera.

 一作供稿 

杨树在全球广泛分布，是主要的造林用材树种之一，但是杨树飞絮导致的环境污染，严重制约了杨树产业的发展。通过克隆控制杨树雌蕊和雄蕊发育的基因是实现不飞絮杨树品种培育的基础科学问题。近日，南京林大尹佟明课题组在《Nature Communications》上发表研究成果“Evidences for a role of two Y-specific genes in sex determination in Populus deltoides”。该项研究为培育不飞絮、少花粉的美洲黑杨新品种提供了原创性成果。

南京林大杨树课题组通过对美洲黑杨雌、雄花芽进行长期地动态观察，对其性别决定基因进行精细定位，在其性别决定区发现了Y染色体特异的DNA片段，证实美洲黑杨性别决定系统与人类一样，属XY性别决定系统。同时，利用自然群体进行的全基因组关联分析发现，与性别表型一致的差异序列均来自于Y染色体特异的片段。这个片段含有两个基因，其中一个基因（FERR-R）是由在雌花中特异表达的基因FERR（该基因位于性别决定区外）复制形成，复制出的基因FERR-R丢失了部分序列，转录产生siRNA反过来调控FERR基因，使FERR基因的启动子和第一外显子发生甲基化，并降解FERR转录本，从而抑制FERR基因在雄性中表达。另一个Y染色体特异片段上的基因MSL是LTR/Gypsy转座子序列，可以产生长链非编码RNA。遗传转化拟南芥实验显示，FERR基因的转基因株系出现了雌蕊增加的表型，但过表达该基因不影响雄蕊发育；而MSL基因的转基因株系由野生型的四强雄蕊转变为六强雄蕊，并出现了7-8枚雄蕊的表型，过表达该基因不影响雌蕊发育，因此MSL有促雄功能。研究结果显示，美洲黑杨雌株只有FERR基因，所以雌花发育，而雄株虽然含有FERR基因，但该基因受到Y染色体特异的FERR-R基因抑制，所以在雄株花序中雌花不发育。因为FERR基因的表达有时空特异性，只在雌花分化的早期表达，所以通过基因编缉技术可以敲除该基因，解决美洲黑杨雌株的飘絮问题；而针对MSL基因的编辑，可以减少花粉污染。

该项研究得到科技部“十三五”重大项目和国家自然科学基金委国际合作重点项目的资助。南京林大林学院薛良交教授为文章第一作者，青年教师吴怀通、陈赢男、李小平为文章共同第一作者，英国皇家科学院院士Deborah Charlesworth和尹佟明教授为文章通讯作者。

 通讯作者 

doi: 10.1038/s41467-020-19559-2

Journal: Nature Communications

Published online: Nov 18, 2020