單性花植物性別分化研究進展

高暝，陳益存，楊素素，劉英冠，朱慧萍，汪陽東

（中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所，浙江 杭州311400）

植物中，大多數（90%）物種為兩性花（bisexual flower）［1］，即一朵花中既有功能雌蕊也有功能雄蕊。但是為了避免同系交配發生自交衰退，植物形成許多避免自花傳粉（self-pollination）而適應異花傳粉（cross-pollination）的性狀，以保證物種延續和遺傳多樣性［2］。其中，單性花（unisexual flower）為一種重要類型。單性花是指僅有雄蕊或者雌蕊的花，若雌花和雄花生于同一株上為雌雄同株（monoecious），若生在不同植株上為雌雄異株（dioecious）［3］。被子植物中，大約有7%的開花植物為雌雄同株，5%為雌雄異株［4］。由于單性花僅含有一種有功能的性器官，因此其成為深入研究植物性別分化調控機制的理想模型。

人類認識植物的性別是一個漫長的過程。早在公元前1000年，人類已認識到異花傳粉能保證棗椰（Phoenix dactylifera）獲得豐收；公元前500年首次在詩經中記載了“異花傳粉”這個概念［5］；17世紀末，Camerarius發表“植物的性”一文正式開啟了植物性別的科學研究［6］。而系統地開展植物性別分化和性別決定的研究始于20世紀20年代［7］。經過近一個世紀的發展，目前在單性花性別分化和性別決定機制方面已取得重要的進展：研究發現單性花性別決定方式多樣且復雜，既有性別決定基因決定性別，又有存在性染色體的植物，通過阻止性別決定基因重組確保穩定的性別分離；同時表觀遺傳由于影響基因表達活性，因此對性別分化也發揮重要作用；此外，植物激素、遺傳因子、表觀遺傳修飾等之間存在相互作用，共同決定單性花性別。本文將從遺傳基礎、表觀遺傳修飾、激素調控等方面綜述單性花性別決定和分化的最新研究進展，并提出未來研究中將面臨的挑戰和應對策略，為揭示植物性別決定和分化的機理提供有效參考。

1 單性花發育概述

植物為了獲得更高頻的遠系雜交能力和最大程度的選擇優勢，由雌雄同花（hermaphroditic）祖先經歷至少100次的獨立進化形成單性花［8］。盡管單性花所占比例很少，但是在近一半的被子植物中均存在單性花，且單性花分布于被子植物不同進化分支中，在不同植物中顯示出不同發育特點，說明單性花是通過不同機制獨立進化而來［9］。一般來說，通過發育過程可將單性花形成過程分為兩類［10－11］。第一類，花在發育初期是兩性（雌雄同花），后來隨著雄蕊（雄性性器官）或雌蕊（雌性性器官）停止發育變成了單性花，因此存在沒有功能的退化器官，草莓屬（Fragaria）、番木瓜（Carica papaya）、白麥瓶草（Silene latifolia）、酸模（Rumex acetosa）等屬于這種類型。花器官停止發育包括4個階段：雄蕊或者心皮原基發育之前，雄蕊或者心皮發育早期，減數分裂之前，減數分裂之后［4］。但是研究發現花器官停止發育的頻率在四個階段中均相同，并沒有優先發生在某一階段，說明雄蕊或者雌蕊的發育沒有關鍵時期，在任何階段均可能發生。然而在一些物種中，器官停止發育的時間具有個體間和個體內的變異，這反映了遺傳變異或環境對花發育的影響。同樣，同一科不同植物之間也存在器官停止發育階段的差異。此外，當性別由性染色體決定時，器官停止發育不受性別決定的遺傳結構約束［8，12］。第二類為性別分化出現在雄蕊和心皮發育之前，因此成熟的花中沒有器官殘基，雌雄異株唐松草（Thalictrum dioicum）、大麻（Cannabis sativa）、一年生山靛 （Mercurialis annua）、美洲黑楊（Populus deltoides）等屬于這個類型［13］。

2 單性花性狀間雌雄差異

與動物不同的是，植物在開花之前很難辨別其性別。但是在植物營養器官和生殖性器官中存在一些特征，如大小、形態（葉片、莖特點）、生長速率、生理特性、香氣、種子大小、發育時間等，存在雌雄間差異。

2.1 營養生長特性

在長壽命植物中，雄性經常在壽命長短、性狀大小及無性生殖等方面超過雌性，而雌性由于在果實和種子方面有更多的投入使得其死亡率高于雄性［14］。紅花盧卡樹（Leucadendron rubrum），為原產于南非的一種觀賞植物，其葉片、分枝特性等在雌株和雄株間表現出顯著差異，雄株比雌株擁有更多的分枝和更小更多的葉片。Leucadendron xanthocomus為蟲媒傳粉植物，雄花通常大于雌花，因其需要吸引更多的傳粉者［14］。當然也有例外，在一些風媒傳粉植物中，由于雄性需要付出更多使花粉富含氮素，因此雄性生殖成本可能與雌性相同甚至更高［15］。

與長壽命植物相反，在短壽命植物中，雌性經常比雄性大。例如，多年生植物白麥瓶草，在開花之前雌雄之間在生長性狀中并沒有差異，而一旦進入生殖生長階段，雌性比雄性發育更快，存活時間更長，最高可達雄性的16倍［16］。一年生山靛雄性和雌性在營養元素分配模式中存在差異，雄性為了使花粉具有更多的氮素，在根系生長上投入更多，因此會限制地上部分的生長；而雌性在具有光合作用的葉片上有更多投入，因此為果實和種子供應更多的碳［15］。此外，在適應環境及面對競爭時，雌雄之間也有差異。例如在貧瘠的土壤中，雄性植物會降低它們在生殖方面的投入，相反雌性會升高，特別是當它與其他雌性競爭時［17］。在風媒傳粉一年生植物Rumex hastatulus中，雌雄間差異在生命周期中會發生變化，開花時雄性植物高于雌性植物，而種子成熟后反之，這種變化反映出植物面對發育需求做出了最適宜的調整［18］。最近的研究表明，葎草 （Humulus scandens）雌株和雄株在水分脅迫響應中具有不同的繁殖策略和生殖可塑性，例如雄株通過增加生殖分配應對水分脅迫，而雌株通過減少花穗生物量應對水分脅迫［19］。

2.2 生殖生長特性

植物的一些生殖特性，包括花大小、數量、花序特點、開花物候、花期、花營養物、花香、對動物抵御方式等，存在性別間差異。蟲媒傳粉植物中，這些差異對傳粉、對配偶的競爭以及性別分化有重要的影響［20－21］。例如，雄花經常聚合而成更大的花，可提高對傳粉者的吸引力從而提高傳粉效率。每天開花的數量在雌雄間也存在差異，寬葉慈姑（Sagittaria latifolia）的花大小和每個花序中花的總數在雄性中大于雌性，但是一天當中開花數量在雌性中更多，且雌花同步開放，引起這種差異的原因可能是雌性和雄性扮演不同的繁殖角色［22］。而花香在雌雄間存在差異是一個很有趣的現象，大多數雄性植物每朵花散發的揮發物多于雌性，這可能由于雄花需要揮發香味以吸引傳粉者，而雌花沒有這種需要，其只需提供雌配子體并為種子提供發育場所即可［23］。

3 性別決定的遺傳基礎

3.1 單性花性器官停止發育的分子遺傳學基礎

目前，對麥瓶草屬、酸模屬等類型一的雌雄異株植物中單性花發育分子遺傳機理進行了一些研究，但是其性別決定位點還沒有被鑒定。然而，研究者已在一些植物中找到了一些在雌雄中差異表達的基因。Ainsworth等［24］報道酸模雌花和雄花幼花中，RAP1（PLENA的同源基因）在心皮和雄蕊中都表達，但是一旦器官停止發育，RAP1不表達，說明RAP1表達的缺失引起了器官發育終止或者是其結果。白麥瓶草中CUP-SHAPED COTYLEDON （CUC）1，CUC2和SHOOT MERISTEMLESS （STM）在雌蕊停止發育之前，雄性特異表達［25］。此外Zluvova等［26］發現白麥瓶草在蓮座期存在3條性別特異的EST轉錄本（兩條雄性特異，一條雌性特異），這是關于被子植物在營養生長階段性別分化分子遺傳學證據的首次報道。一些與擬南芥（Arabidopsis thaliana）中已知功能基因同源的基因也表現出性別特異表達。SUP阻礙擬南芥第4個輪中B基因家族的表達，因此可能允許雌蕊發育。研究發現白麥瓶草中與SUPERMAN （SUP）同源的SlSUP在雌花表達，雄花不表達［27］。由于這些基因或其同源基因在植物芽頂端分生組織營養生長中有活性，因此類型一單性花中的性別特異表達模式可能是性別分化的結果，而不是其原因。

盡管雌雄異株植物中鑒定性別決定基因還很難，但雌雄同株的玉米（Zea mays）和黃瓜（Cucumis sativus）及其相近種中，性別分化基因的鑒定研究已取得一些進展。玉米通過雄穗中雌性心皮停止發育以及雌穗中雄蕊停止發育進行性別分化，已知有6個突變體涉及雄花發育，其中4個已被鑒定。ts1編碼合成茉莉酸的脂氧合酶，在缺乏功能性ts1基因的情況下，花序發育過程中脂氧合酶活性丟失，內源茉莉酸濃度下降，而添加茉莉酸則會恢復突變體ts1和ts2花序中的雄蕊發育［28］。ts6和ts4突變體可在允許分生組織生長的同時允許雄穗中的心皮發育，說明性別決定和分生組織生長分享了同一個通路。與玉米非常相近的摩擦禾屬（Tripsacum）中，ts2同源的gs1調節細胞死亡，并使雌蕊停止發育。目前在黃瓜中鑒定到7個性別控制位點，其中3種為F位點、a位點和M位點，這3個位點可調節激素產量并使雌蕊或者雄蕊停止發育。例如F位點編碼氨基環丙烷羧酸1-amnincyclopropane-1-carboxylic acid synthase（CsACS1和CmACS7）生物合成；在黃瓜純雌系中發現了ACS1（CsACS1G）基因的額外拷貝，因此推測其是雌性化性別鑒定基因［29］。甜瓜（Cucumis melo）中，性別的形成是由雄花兩性花同株andromonoecious（a）和純雌gynoecious（g）位點上的兩個不連鎖等位基因控制的。CmACS-7編碼乙烯合成限速酶，能抑制雌花中雄蕊的發育。

3.2 單性花性器官發育的分子遺傳學基礎

與類型一單性花具有復雜的花發育階段和過程不同的是，類型二單性花必須在器官發育之前完成性別分化，因此推測性別決定基因在性別分化中起重要作用。在菠菜（Spinacia oleracea）中鑒定出兩個B家族基因，SpAP3和SpPI在雄花雄蕊發育過程中表達，但是在雌花發育中不表達，這與B家族基因決定雄蕊發育的作用相吻合［30］，而在雄性菠菜中敲除B家族基因可導致雌蕊發育，同樣證明B家族基因抑制菠菜雌蕊的形成，是性別分化基因［31］。楊樹中也存在對雌雄分化有重要作用的基因。SVP基因在植物早期抑制成花轉變，并對維持成花轉變后花器官生殖發育有重要作用，研究發現SVP基因在毛果楊（Populus trichocarpa）雄花中表達量顯著高于雌花；此外響應光敏色素信號以及促進開花發育的GI基因在雄花中上調表達，而光周期途徑中的負調控因子COL9基因則在雌花器官發育過程中相對于雄花上調表達，這兩個基因在雌雄花器官中的性別差異表達可能導致光周期途徑在雌花中被抑制；SAP基因是重要的花序分生組織特征基因，其對大孢子發生期的減數分裂起始起關鍵作用［32］，在雌花的孢子形成后期SAP上調，相對雄株上調較晚，這個結果暗示了雌花發育的孢子形成進程要晚于雄花［33］。在雌雄異株唐松草中，B和C基因家族在雄花和雌花中差異表達，說明這些同源基因控制雌雄異株唐松草的性別決定［34］。盡管已在部分植物中驗證了某些類型二單性花中性別分化基因的預測，但仍需要在其他雌雄異株物種中驗證關鍵基因在性別分化中的功能，以找到調控性別分化和花發育機理的共性及個性。

3.3 植物性染色體

當雌雄異株植物中兩個性別決定基因在一條染色體上緊密連鎖且顯性互補時，會出現性染色體。性染色體能通過阻止性別決定基因重組確保性別表型穩定分離。與動物中普遍存在性染色體且已借助其揭示性別進化機制不同的是，植物中只有5% （48種）具有性染色體［35］，而被子植物中只有0.01%（250000種中有37種）具有性染色體。其中，20種植物的性染色體在細胞學水平無法區分，為同型性染色體，其中16種為XY，4種為ZW；28種植物的性染色體在形態學上可區分，為異型性染色體，其中27種為XY，一種為ZW［12］（表1）。

白麥瓶草，番木瓜和棗椰等植物中性染色體結構和進化研究表明植物性染色體異染色質非重組區域控制性別鑒定［77－78］。植物性染色體具有6個發育階段：1）在一個染色體上出現突變導致雄性或者雌性不育，弗州草莓（Fragaria virginiana）性染色體處于這一階段；2）兩個性別決定基因之間發生重組抑制，染色體開始退化，Y染色體出現很小的雄性特異區域 （MSY），YY基因型尚可見，蘆筍（Asparagus officinalis）性染色體處于這一階段［79］；3）臨近區域也發生重組抑制，大量Y連鎖基因退化，形成MSY，YY基因型消失，番木瓜性染色體處于這一階段；4）通過轉座子插入及染色體內重排，MSY不斷擴大，基因不斷退化，Y染色體的DNA含量增大，形態遠大于X染色體，性別決定依賴于Y染色體活性，白麥瓶草為這一階段典型的例子；5）Y染色體嚴重退化，非功能基因的喪失導致Y染色體變小，蘇鐵（Cycas revoluta）性染色體為代表；6）重組抑制擴大到整個Y染色體，Y染色體消失，性別由X和常染色體比值決定，葎草屬（Humulus）和酸模屬的性染色體已發育至此階段［12］。

表1 具有性染色體的植物［12］Table 1 Plant with sex chromosomes

性染色體可對雌雄異株植物的遺傳變異產生影響。性別二態性進化多變量方程［80］假定即使性別分化基因與常染色體連鎖，但性別連鎖依舊能改變雌性和雄性遺傳變異結構，因為在每個性別中性別連鎖基因的數量不一樣。例如，若為異型配子性別（XY為雄性，ZW為雌性），在性別連鎖位點上只包含一個等位基因，不論顯性或者隱性均能表達；然而若為同型配子性別（XX為雌性，ZZ為雄性），每一個性別連鎖位點上包含兩個等位基因，因此是雜合的或者純合的。由性別連鎖基因貢獻的遺傳變異在性別間不對稱，如XY雄性或ZW雌性是其他的2倍，這些差異會特異性的選擇性別。同樣，當連鎖到性染色體或常染色體上的基因在表達時有性別偏好時，可能作為性別特異選擇的結果出現，會選擇能進一步限制雌性或雄性表達水平的調控機制［81］。

蠅子草屬（Silene）由于具有異型性染色體，且Y染色體和X染色體是基因組中最大和次之，因此是研究性染色體進化的最佳模式植物［82］。雄白麥瓶草為異配互補的2n＝24（22＋XY）型，而雌白麥瓶草是同配核型2n＝24（22＋XX），Y染色體是雄性染色體中最大的互補染色體，約占整個基因組的15%，比X染色體大38%［83］。但也有研究發現白麥瓶草X染色體上一些基因表達是偏好雄性的［84］，說明這些基因也可能涉及性別分化；同時遺傳比對結果證明重組假染色體區域（recombining pseudoautosomal regions，PARs）上的基因和轉座子也與性別連鎖［85－87］。番木瓜也是研究性別決定和性染色體的模式植物，其具有3種性別模式：雌花，雄花和雌雄同花，因此具有兩套Y染色體，即控制雄性的Y染色體，和控制雌雄同花的Yh染色體［88］。Y染色體比X染色體更具遺傳多樣性［89］，Yh染色體位于著絲粒附近，具有5個異染色質突起［90］。葎草屬的啤酒花（Humulus iupulus）為雌雄異株植物，性染色體處于第6階段，即性別決定依賴于X染色體與常染色體組比值：當比值為0.5或更低時為雄株，反之為雌株。雌性性別表達程度與常染色體減少呈正相關，推斷這些植物Y染色體缺失抑制雌性發育的基因片段，而這些片段分散到常染色體上，從而形成特殊的X染色體與常染色體組比值性別決定系統。

由上可知，單性花中雌雄同株植物與雌雄異株植物的性別決定方式有很大區別。雌雄同株植物由于每一個體雌花雄花具有相同的遺傳組成，其性別決定過程受到性別決定基因在發育水平上的調控。而雌雄異株植物在同一物種中存在雌雄兩種不同個體，其遺傳組成具有一定差異，這種差異造成兩種性別單性花的形成，在一些植物中，這種差異表現為存在性染色體，即植物性別由性染色體組成決定［2］。然而目前鑒定性別決定基因的方法并不適于性染色體非重組區域，因此雌雄異株植物性別決定基因鑒定工作的開展還存在較大阻礙［82］。

4 單性花發育的激素調節

大量的植物激素涉及單性花性別鑒定基因和發育通路，對植物發育過程中不同時期器官分化和功能都具有重要意義［91］。研究證明，赤霉素（gibberellin，GA）具有促雄效應，細胞分裂素具有促雌作用，生長素能提高雌雄同株植物中雌花比例。黃瓜中生長素和赤霉素對花發育的影響是間接的，因為它們分別增加或減少了內源乙烯的含量，而高水平的乙烯含量會促使心皮發育、抑制雄蕊發育；玉米中給雄穗添加赤霉素可使雄穗變為雌性，而消耗內源赤霉素會使雌穗變為雄穗。性別決定基因的鑒定為激素在性別決定中的作用提供了直接的證據。例如黃瓜中，F基因編碼決定乙烯濃度的基因，扮演了促進雌性特征，而M基因編碼感知乙烯信號的基因，超過乙烯臨界水平則抑制雄蕊發育，在黃瓜中已鑒定出的兩個1－氨基環丙烷-1-羧酸（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid）合成基因CS-ACS1和CS-ACS2中，CS-ACS1能比對到F位點，雌雄同株黃瓜基因組只有一個拷貝，而純雌系有兩個拷貝，這兩個基因的表達與性別表型相關，純雌系比雌雄同株或者雄花兩性花積累了更多的轉錄本［92－93］，但是目前關于乙烯為什么能抑制純雌系而不是雄花兩性花中雌蕊停止發育的問題還沒有得到解釋；玉米中，已鑒定出兩個經典的突變體，可分別使雌穗雄性化和雄穗雌性化，其中anther ear（an1）和dwarf（d1，d2，d3和d5）突變體為隱性，通過阻止雌穗中雄蕊停止發育而使雌穗雄性化，D1，D3和AN1基因編碼涉及赤霉素生物合成的酶，D8基因編碼赤霉素不敏感或抑制的gal-3基因，其負向調節GA響應，GA信號調節在d8突變體中是脫抑制的，從而導致顯性表型［94］。此外由于激素涉及個體發育多個過程，因此影響激素水平的突變體具有多效性。例如玉米突變體anther ear和dwarf，不僅影響雌穗的性別，而且能影響株高、雄穗分枝和葉形。因此在組織特異性受體分子中、具有靶定效應的基因中以及激素合成通路中具有組織特異表達模式的重復基因內均可能發生改變性別的修飾［4］。相對于雌雄同株植物，雌雄異株植物的性別發育對激素等因素并不敏感，而遺傳因素才是其主要的決定因子，但由于其從雌雄同株進化而來，遺傳了祖先的發育機制，因此激素仍然在雌雄異株性別分化中起作用。激素控制性別分化的程度也會影響雌雄植株中功能連鎖群如何進化。將來很有必要在基因組水平上研究雌雄異株植物中能改變性別以響應激素水平的順勢元件的進化。

5 單性花的表觀遺傳調控

植物中，個體可隨時間變化發生表型或者性別改變。當外部環境因素改變個體的性別發育時，發育系統被定義為“環境性別決定”（ESD），與遺傳性別決定（GSD）相區分［95］。然而，隨著對植物激素和表觀遺傳染色質重塑在開花和花器官發育中作用的理解不斷加深，逐漸發現這種區分沒有意義，甚至是誤導性的。表觀遺傳染色質重塑使得基因組序列不發生變化但呈現出不同的基因表達和沉默模式，并且代代相傳。這種修飾使生物體整合基因組與環境信息，改變了基因表達模式，并產生特殊的表型以適應波動的環境。植物發育過程中，許多基因表達在有限空間和短暫時間中均會發生改變［96］，這對性別決定和性別分化起重要作用，因此有理由相信引起基因表達改變的表觀遺傳修飾對性別決定及分化發揮重要作用。Gorelick［97］假設雌雄異株和性染色體是從多倍體的雌雄同花中起源而來，有一個常染色體在性別控制區域具有更多的甲基集團，甲基化抑制基因表達，包括配子繁殖位點，因此將雌雄同花轉化為雌性或者雄性。具有ESD特點的物種需要同源性染色體，小的環境改變可以改變性別相關位點的甲基化模式，因此決定個體性別。

目前已在幾種植物中發現表觀遺傳修飾涉及性別決定。甜瓜中鑒定到一個位點CmWIP1，為編碼抑制CmACS7表達的轉錄因子，可導致心皮停止發育而只有雄蕊發育，而在純雌系中，雄花變為雌花是CmWIP1啟動子表觀遺傳改變的結果；轉座子gyno-hAT誘導CmWIP1超甲基化，阻礙基因的轉錄。此外CmWIP1蛋白抑制器缺失允許CmACS7表達，使雌蕊完全發育，雄蕊停止發育。在CmACS7和CmWIP1這兩個位點均突變的純合個體中，雌蕊和雄蕊均沒有被抑制，因而發育為雌雄同花［98］。由此看出甜瓜性別分化受遺傳、表觀遺傳等多種因素影響。玉米中，性別決定依靠雄穗中雌心皮停止發育或者雌穗中雄蕊停止發育。模糊花穗ids1（indeterminate spikelet1）是APETALA2花序同源轉錄因子家族中的一員。研究者發現tasselseed4（ts4）編碼miRNA 172（miR-172），其靶定APETALA2，而且ts4突變體允許雄穗中心皮發育，同時提高分生組織分枝，這說明性別決定和分生組織生長分享同一套通路［99］。此外白麥瓶草中DNA甲基化對維持雄株很重要，DNA去甲基化會使雄性植株轉化成雌雄同體［100］。油棕（Elaeis guineensis）DNA甲基化的丟失同樣會造成性別表型異常的表觀突變體［101］。毛果楊第19號染色體上有小RNA熱區，說明在楊樹性別鑒定中存在表觀遺傳修飾［102］。最近研究者利用全基因組重測序和轉錄組方法鑒定出君遷子（Diospyros lotus）最佳性別決定候選基因OGI，其位于Y染色體上，在柿屬（Diospyros）中雄性特異保守，同時OGI編碼的小RNA可抑制常染色體上的雄性生長抑制基因MeGI的表達［103］。

同樣各種染色質修飾對開花也具有重要作用。目前已知對開花具有抑制作用的FLC中可發生各種染色質修飾。春化作用可通過長鏈內含子非編碼RNA（即COLD ASSISTED INTRONIC NONCODING RNA ，COLDAIR）與多梳抑制復合體PRC2相互作用，觸發FLC染色質發生組蛋白H3K27的甲基化，從而使FLC表達受到抑制，影響開花時間［104］；FLC染色質H2B發生單泛素化，隨后H3K4和H3K36發生甲基化，進而激活FLC及其同源基因表達，導致開花延遲［105］。在短期的寒冷脅迫下，HOS1通過禁止組蛋白脫乙酰酶（HDA6）結合到FLC染色質上從而誘導FLC的表達［106］；早熟禾亞科葉片中鑒定出特異表達的miR5200，其在短日照（SD）條件下生長時大量表達，而在長日照（LD）條件下時表達急劇下降，表觀遺傳染色質狀態、特別是組蛋白甲基化的水平在miRNA前導位點中發生了變化以響應晝長，同時人工阻礙miR 5200活性可改變SD中開花時間，但LD中并沒有發生變化［107］。

6 展望

與動物中性器官的形成在胚胎發育早期便已決定、且性器官發育與營養器官形態發生互相獨立不同的是，植物胚胎只形成具有進一步分化能力的分生組織。當成體植物生長至一定階段、在一定環境誘發下，莖端分生組織由營養分生組織轉變為成花分生組織，此后在不同性別決定系統作用下，不同植物發育路線出現了分歧。花性別、花形態和結構多樣性都是花發育基本程序的各種變異，由于這種復雜性導致花性別分化和性別決定調控機理研究中仍面臨許多挑戰。

1）盡管研究者在鑒定性別決定基因中付出了巨大的努力，但是目前只在雌雄同株植物中克隆出很少的幾個基因，這是遠遠不夠的。未來，需要在已知的模式植物中克隆這些基因，并大量挖掘性別決定基因，例如在花發育過程中性別決定時只在雄性中表達的基因、Y染色體連鎖位點基因等，這將有助于在分子水平上更好理解性別決定和分化遺傳機理。

2）植物性染色體研究還有很多方面需要開展。例如目前已知的性染色體只是很小的一部分，可利用高通量測序技術揭示更多植物的性染色體；同時研究古老植物的性染色體對于理解重復序列積累、遺傳退化、Y染色體連鎖區域消失等事件出現的時間，以及當一個性別決定系統代替另一個性別決定系統事件出現時性染色體進化的階段都有幫助；此外性染色體的功能分析研究也較落后，可利用性染色體信息和基因組信息，詳細分析X或者Y特異的基因，將有助于鑒定性別決定基因，對解釋植物中劑量補償效應的研究很有幫助。

3）由于表觀遺傳修飾的重要性，未來研究者應關注染色質變化如何激活或抑制涉及性別決定和分化的轉錄本活性；了解表觀遺傳修飾對性別決定和性別分化的調控如何穩定遺傳給子代，且基因表達模式在世代間保守；了解有哪些主要表觀遺傳元件將環境與表型聯系起來；盡管在ESD系統中已發現表觀遺傳修飾對性別決定和性別分化起重要作用，但是GSD系統中表觀遺傳修飾對性別決定調節起什么作用還未知，GSD中主要的表觀遺傳維持者是什么，其在進化中是否保守，這些問題都需要進行仔細探究。

4）由于單性花在不同植物中顯示出不同的特點，說明其在進化上是獨立的，而且性器官停止發育沒有關鍵時期、可在花發育的任何階段發生。因此調控單性花發育的控制點應該也是多樣性的。研究者不應只關注性別分化基因，而應結合遺傳通路、環境和激素修飾以及表觀遺傳調控綜合考慮植物性別分化和性別決定調控機理；結合各種新技術方法，利用二代測序技術、通過基因組、轉錄組、蛋白組等研究，結合模式或非模式生物進化分析獲取新的觀點；并且將這些研究與可能導致繁殖功能喪失的特異細胞水平、組織水平或器官水平上的發育過程研究相結合。此外，物種內雌性和雄性性器官停止發育的階段相同，說明可變的性別分化通路也被一些相似的開關調節，因此將來在研究中需要更精確地了解單性花的發育過程，以找到這些調控開關。

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