雌雄异株向雌雄同株进化的性染色体命运是指苔藓植物有性生殖系统转换中染色体重组的阐明——

2025.04.07

雌雄异株向雌雄同株进化的性染色体命运是指苔藓植物有性生殖系统转换中染色体重组的阐明——

京都大学

广岛大学

自然科学研究机构基础生物学研究所

近畿大学

科学技术振兴机构

概要

京都大学生命科学研究科副教授安居佑季子、下川瑛太博士课程学生、田中知叶硕士课程学生(研究当时)、梅谷结佳硕士课程学生、川村升吾博士课程学生(研究当时)、河内孝之教授等研究小组由苏黎世大学的Péter Szövényi博士、 通过与广岛大学研究生院综合生命科学研究科副教授嶋村正树、基础生物学研究所仿生学分析室主任技术员山口胜司、重信秀治教授、近畿大学生物理工学院教授大和胜幸等研究小组的共同研究，半数个体※1世代决定性的苔藓植物的性染色体※2雌雄异株※3雌雄同株※4关于在向进化的过程中会经历怎样的命运，明确了共同的进化道路。

有性生殖是生物普遍的繁殖系统，但其基础的性别决定非常多样。 包括人在内，具有性染色体的生物是雌性和雄性作为不同个体存在的雌雄异体，但也存在着不具有性染色体，在一个个体中同时具有雌性功能和雄性功能的雌雄同体的生物。 在从雌雄异株向雌雄同株的进化过程中，包括性染色体在内的染色体会经历怎样的命运，大多处于不明状态。 此次，苔藓植物苔(泰国)类※5通过对的雌雄同株赤藓的基因组进行解读和比较基因组分析，发现赤藓一方面保留了祖先携带的来自雄性性染色体的染色体，另一方面在将必需基因转移到其他染色体后雌性性染色体消失。 此外，通过与其他已有报道的雌雄同株泰国类基因组的比较，表明这些进化不是偶然发生的，而是注定作为泰国类的性染色体。

本成果于2025年4月2日在国际杂志《小区报告”中被选中。

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泰类雌雄异株向雌雄同株进化过程中发生的染色体重组

1 .背景

性别决定和性别分化的机制非常多样。 像人类这样具有性染色体的生物是雌雄异体，但在各个系统中，在一个个体中存在着产生雌雄配子的雌雄同体的物种。 在植物方面，正在研究的被子植物大多是雌雄同株，但在陆地植物进化的基部是含有被子植物的维管束植物※6和分支的苔藓植物中，雌雄异株和雌雄同株的植物都大量存在。 苔藓植物泰国类的模式属——剑叶藓是雌雄异株，具有性染色体。 苔藓植物是半数体世代占优势的生物，在半数体世代中决定性的性染色体，雌性的被称为u染色体，雄性的被称为v染色体。 本研究组迄今为止泰国类u染色体上的性别决定基因BPCU的发现，表明其起源非常古老，为4亿3000万年前。 泰国类雌雄异株为祖先型，推测在泰国类进化过程中，雌雄异株向雌雄同株的进化多次独立发生。 关于性染色体如何随着雌雄异株向雌雄同株的进化而重组，包括泰国类在内，迄今为止还没有达成共同的理解。

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图1雌雄同株赤藓

Kitadake-1株被采集的北岳的照片(左)。 图为形成生殖器官托的红藓(右)。 基因组解读使用了广岛大学传代培养的Kitadake-1株。 雌性生殖器官托(橙色)和雄性生殖器官托(蓝色)形成于同一个体。 雌性生殖器官托产生卵，雄性生殖器官托产生精子。

2 .研究方法成果

本研究采用长序列技术，对泰国类模式锦鸡儿近亲雌雄同株赤藓苔的基因组进行测序※7用进行了解读。 此次进行基因破译的红藓是在北岳采集并在广岛大学传代培养的Kitadake-1株(图1 )。 剑叶藓有8条常染色体和雌雄各1条性染色体。 另一方面，根据对古代观察到的核型的分析，报告了赤藓的染色体为9条，从这次的基因组解读中，赤藓的基因组也与9条染色体相连。 其中，发现1至8号染色体的大小较大，与天竺葵的8条常染色体基本对应。 与此相对，第9条染色体具有大小小、基因密度低、重复序列比例高等性染色体特征。 在红藓的基因组上调查了与红藓的性染色体同乘的基因和对应的基因后，发现红藓的v染色体上的基因和对应的基因多存在于这第9条染色体上，认为第9条染色体来自v染色体。

另一方面，与u染色体上基因相对应的基因在红藓基因组中很少，它们散布在红藓的1~8号染色体上。 红藓同时具有u染色体和v染色体来源的序列，可以认为产生雌雄同株的契机是减数分裂时除了正常的常染色体组外，还偶然产生了同时具有雌雄性染色体的细胞。 在此后的进化过程中，u染色体上的必需基因向常染色体转移，发生了u染色体的消失。

另外，泰国类中的性别决定基因BPCU发现在雌性生殖器官托中表达较高，而在雄性生殖器官托中几乎不表达，在红藓中出现了新的BPCU的表达调控机制已获得，表明可以在一个个体中分别产生雌雄配子。 此次，在已明确的红藓的基因组中，来自v染色体的染色体被保留而u染色体消失的情况与迄今为止已经明确的其他雌雄同株的泰国类银杏藓的基因组相同。 认为红藓和银杏藓在进化过程中是独立地由雌雄异株进化为雌雄同株的，由此可见，同一性染色体的进化情景是两次独立发生的。 今后泰国类从雌雄异株向雌雄同株转换时发生的事件，被认为不是偶然发生的1例，而是可预测的进化。

3 .波及效果，今后的安排

本研究通过对半数体世代占优势的苔藓植物的分析，展示了伴随从雌雄异株向雌雄同株进化的性染色体的进化是怎样的。 今后，在其他苔藓植物和其他系统中，通过在能够比较有性生殖系统转换的物种之间进行基因组解读，可以明确伴随有性生殖系统转换的性染色体的进化。 像这样明确性染色体的进化，也可以期待对生物多样性产生的基本原理的阐明。

4 .关于研究项目

该研究涉及日本学术振兴会( JSPS )学术变革领域( a )“挑战两性花原理”( 23h 04744，22h 05172 )、研究基础C (21K06228 )、研究基础A (22H00417 )、国际先导加速基金( 22K21352 ) 由科学技术振兴机构( JST )开创性的研究支持事业“陆地植物单相世代的有性生殖系统的进化”( JPMJFR2256 )、基础生物学研究所综合基因组学共同利用研究( 23ni bb 441，24 nibb 428 )等提供了支持。

<术语解释>

※1半数体

是指拥有1套染色体基本数的细胞和个体，精子和卵等配偶属于此类。 在陆地植物中，生活环境中的单倍体世代和拥有2套染色体的二倍体世代均作为多细胞体制交替重复。

※2性染色体

指通过遗传决定性别的雌雄异体生物中参与性别决定的染色体。 染色体的形态和数量可能不同。

※3雌雄异株

是表示植物中雌雄异体的词语，是指不同个体拥有雄性生殖器官和雌性生殖器官的情况。

※4雌雄同株

是表示植物中雌雄同体的词语，是指同一个体拥有雄性生殖器官和雌性生殖器官的情况。

※5苔藓植物苔(泰国)类

所有的陆地植物都被认为是从一个共同祖先进化而来的，苔藓植物在陆地植物进化的基部与具有维管束的植物分支了。 苔藓植物除泰国类外，还有岑类和角藓类。

※6维管束植物

是具有维管束的植物的一组，被子植物等属于该组。

※7长引线时序技术

这是一种可以一口气读取长DNA序列的技术，通过该技术也可以解读基因组的难解领域。

<研究者评论>

“当在雌雄异株泽泻中发现苔藓植物泰类的性别决定基因，且发现其起源可以追溯到非常久以前时，在雌雄同株的泰类中其系统怎么样了？ 我怀着这样的疑问开始了研究。 雌雄同株的苔藓植物也利用雌雄异株的苔藓植物所具有的性别决定基因来区分雌雄配子，这一点令人吃惊，对性染色体的进化不仅是偶然的，也是命中注定的，对此我非常感兴趣，于是进行了研究。 ”(安居佑季子)

<论文标题和作者>

标题: insights into convergent evolution of co sexuality in liverworts from the市场营销genome (从红藓的基因组解读中显示出的苔藓植物向雌雄同株的收敛进化)

作者: Giacomo Potente1,2,10安居佑季子3,10,下川瑛太3，Jerry Jenkins4，Rachel N. Walstead4，Jane Grimwood4，Jeremy Schmutz4,6，Jim Leebens-Mack5，Tomas Bruna6，Navneet Kaur6，Raymond Lee6，Sumaira Zama6田中知叶3梅谷结佳3川村升吾3大和胜幸7山口胜司8重信秀治8嶋村正树9河内孝之3和péter szvéNyi1,2

1苏黎世大学，瑞士

2 Zurich-Basel Plant Science Center，瑞士

3京都大学生命科学研究科

4 Hudson alpha institute for biotechnology，美国

5佐治亚大学，美国

6 Lawrence Berkeley national laboratory，美国

7近畿大学生物理工学院

8 基础生物学研究所蛋白质组学分析室

9 广岛大学研究生院综合生命科学研究科

10 共同第一作者

*共同责任作者

刊登的杂志: 小区报告DOI :10.1016/j.celrep.2025.115503

<研究相关咨询方式>

安居佑季子

京都大学生命科学研究科副教授

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广岛大学宣传室

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< JST业务相关咨询方式>

科学技术振兴机构开创性研究推进部

tel:03-5214-7276传真: 03-6268-9413

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