2. 柳樹花朵基因表達(dá)模式的二態(tài)性

使用DESeq2 R包(1.16.1)43進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組樣本組間差異表達(dá)分析( n=3)。經(jīng)DESeq2鑒定，校正后p值< 0.05的基因被認(rèn)為是差異表達(dá)基因(DEGs)。將那些僅在單性群體中表達(dá)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(jié)果表明，雌花在盛花期和晚期表現(xiàn)出的基因表達(dá)模式與早期相似，而雄花晚期的基因表達(dá)與早期差異最大(圖4a)。性別偏置基因的數(shù)量從早期的3751個(gè)增加到晚期的9719個(gè)(圖4a, b)，而且雄花在所有花期的基因表達(dá)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(shí)期表現(xiàn)出表達(dá)變異(圖4c)。層次聚類分析表明，雄花和雌花在早期表現(xiàn)出更多相似的基因表達(dá)模式(圖4d)。我們還發(fā)現(xiàn)只有4.70%的性別偏倚基因在所有三個(gè)階段都表現(xiàn)出性別偏倚表達(dá)。其中，48.3%的基因在前兩個(gè)階段沒有表現(xiàn)出性別偏置的表達(dá)，這表明性別偏倚的基因是多變的(圖4e)。

2）在三個(gè)開花階段，分別有529、634和1536個(gè)性別偏置基因注釋到112、115和117個(gè)KEGG通路中，并在15、18和23個(gè)KEGG通路中顯著富集(P< 0.05)(圖5)。黃酮類化合物的生物合成途徑均在盛花期和晚期顯著富集，這些豐富的途徑與顏色的發(fā)展有關(guān)。此外，在花期早期，性別偏置基因在植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑以及參與光合作用的3條途徑和參與碳水化合物代謝的5條途徑中也顯著富集。在盛花期，植物-病原體互作、光合作用、脂肪酸代謝和降解以及次生代謝中性別偏性基因顯著富集。在花期晚期，性別偏置基因顯著富集于核糖體和DNA復(fù)制中，與細(xì)胞增殖有關(guān)。所有這些富集途徑都與雄花和雌花的生長(zhǎng)和繁殖代價(jià)的差異有關(guān)。

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(gè)代謝物，其中216個(gè)代謝物注釋到KEGG數(shù)據(jù)庫。在主成分分析中，PC1(18.10%)和PC2(12.10%)可以將不同時(shí)期的開花樣本分開(圖6b)。此外，OPLS-DA分析表明，同一時(shí)期的雄花和雌花樣本表現(xiàn)出顯著不同的代謝譜(圖6c)。此外，我們鑒定了61、45和36個(gè)代謝物，它們的含量在三個(gè)時(shí)期的雄花和雌花之間存在顯著差異(VIP > 1, P< 0.05)。在三個(gè)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(tài)性隨花的發(fā)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(shù)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(jié)論

花朵的性二態(tài)性是由于在交配過程中具有不同的雄性和雌性結(jié)構(gòu)以及不同的生殖角色而獲得的整體適應(yīng)性增加的結(jié)果。作者研究發(fā)現(xiàn)，在花期，雌雄花在表型、代謝和轉(zhuǎn)錄水平上存在顯著的二態(tài)性。與雌花相比，雄性花表現(xiàn)出更多的性別偏倚性基因表達(dá)。這些基因表達(dá)和代謝譜的差異不僅導(dǎo)致了花的初級(jí)性二型，即雄性雄蕊和雌性雌蕊，而且還導(dǎo)致了花在形態(tài)和生長(zhǎng)方面的次級(jí)性二型。(圖8)

轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析表明康定柳雌雄花序的性別二態(tài)性和生殖投資的差異涉及到呼吸代謝、激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、酚類和類黃酮代謝以及胡蘿卜素代謝等關(guān)鍵代謝通路。相較于雌花，雄花中較低的DELLA蛋白基因表達(dá)(Sapur.010G083400)可能使其對(duì)赤霉素信號(hào)更敏感，進(jìn)而導(dǎo)致更長(zhǎng)的雄花序。雌花中卟啉和葉綠素代謝中基因表達(dá)更高且葉綠素含量更高，而類胡蘿卜素代謝中基因表達(dá)在雄花中更高，這可能導(dǎo)致了雌花序顏色更綠而雄花序表現(xiàn)出黃色或紅色的表型。

 

研究還發(fā)現(xiàn)，在糖酵解、三羧酸循環(huán)(TCA cycle)途徑中，大量基因在雄花中高表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)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(zhuǎn)化成磷酸烯醇式丙酮重新進(jìn)入三羧酸循環(huán)(圖9)。這表明雄花在授粉前具有更強(qiáng)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?yàn)樾壑暌�大量傳粉，較多的投資成本可以增加其傳粉成功率。