柿子，柿子，你為什麼母的多公的少呢？

秋天是柿子的季節！有的人愛吃柿餅，更多人愛吃甜柿。不過，我們吃的柿子（Diospyros kaki）其實是六倍體喔！柿子的野生種是二倍體（D. lotus），也被稱為君遷子，雖然食用價值不高，但也是重要的實驗材料。

君遷子。圖片來源：維基百科

大部分的植物都是雌雄同體，一朵花裡面又有雌又有雄；較少的植物是雌雄異花甚至雌雄異株，但是，君遷子就是雌雄異株的植物。相對的，栽培種的柿子不只有雌株與雄株，還有雌雄同體的兩性株。

柿子是如何決定雌雄呢？科學家發現，柿子跟我們一樣，是所謂的XY系統，雄性是XY，雌性是XX。在Y染色體上，也存在著所謂的性連鎖區域，不過比其他雌雄異株的植物要小。科學家在柿子的Y染色體上找到一個名為OGI的小RNA基因，是柿子的性別決定因子。

之前的研究發現，君遷子存在著雌性比例偏高的現象。他們發現，君遷子的雌：雄大約是2：1，而非大約1：1的比例。

這個現象讓研究團隊非常感興趣。他們使用一個F1雜交族群來進行全基因體分析，結果發現了兩個區域出現顯著的傳遞比例失衡，一個位於第8號染色體，另一個位於第15號染色體。

由於第15號染色體就是柿子的性染色體，且這個區域接近柿子的性別決定基因OGI，所以研究團隊決定進行更深入的研究。結果這個基因的確就是在柿子的性連鎖區域裡面。由於研究團隊觀察到，雄性比例之所以只是雌性的二分之一，是因為大約一半帶有雄性基因的種子，在早期發育階段就夭折了，於是他們把這個基因定名為HaMSter（Half Male Sterile/Inviable，意為一半的雄性不育或無法存活之意）。

後續發現，HaMSter是一個具有未知功能的蛋白質，只表現在胚乳中。分析後發現，雖然X與Y染色體上都有這個基因，但只有X染色體上面的這個基因會表現。

到底HaMSter對植物會有什麼影響呢？因為它的序列無法告訴研究團隊太多資訊，於是他們進行了全基因體的甲基化分析，畢竟基因的甲基化對它能不能表現具有決定性的影響。甲基化分析發現，如果HaMSter基因的啟動子區域被高度甲基化，則這個基因就無法表現，造成種子無法存活。也就是說，HaMSter基因能否表現，對種子能不能活下來很重要。

因為柿子相對不是那麼容易研究，而阿拉伯芥中有一個基因與HaMSter很像；於是研究團隊決定試試看將阿拉伯芥的這個基因給剔除，來觀察這個基因是否也對阿拉伯芥有影響。他們使用基因編輯技術，在這個基因的第二個外顯子（exon）裡面插入一個核苷酸，這樣插入會造成轉譯時發生移碼（frameshift），導致蛋白質的產生提早終結，於是就無法產生有功能的蛋白質。

結果發現，不管他們怎麼努力，都只能產生異基因型（heterozygous）的突變株，無法得到同基因型（homozygous）的突變株。這個現象意味著，如果這個基因完全被剔除，可能會導致胚胎「胎死珠中」，於是就無法獲取。

這個發現確認了，這個基因必須要能表現，柿子的胚胎才能存活。有趣的是，研究團隊還發現，在雌性的柿子裡面，有一半的X染色體上的HaMSter基因會透過甲基化來關閉表現的能力。這樣的現象，類似於人類的X染色體不活化現象（X-chromosome inactivation），而且柿子裡面也是隨機的；但是哺乳動物的X染色體不活化出現在所有的細胞中，但在柿子裡面卻僅限於配子或胚乳。

總而言之，科學家發現了柿子的HaMSter基因對胚胎的存活很重要。甲基化會讓它無法表現，導致胚胎無法存活。由於柿子的Y染色體上的HaMSter無法表現，僅X染色體上的HaMSter可以表現；而雄性胚胎僅有一個X染色體，於是當雄性胚胎X染色體上的HaMSter基因因甲基化無法表現時，雄性胚胎就會死亡。由於雄性胚胎上的X染色體一定是來自雌株，但X染色體上甲基化的程度卻是在雌株體內就決定了，這使得雄性胚胎死亡的比例遠高於雌性胚胎，最後就讓一半的雄性胚胎「胎死珠中」，產生了觀察到的雌雄比例失衡的現象。

參考文獻：

Akagi, T., Sugano, S.S. Random epigenetic inactivation of the X-chromosomal HaMSter gene causes sex ratio distortion in persimmon. Nat. Plants (2024). https://doi.org/10.1038/s41477-024-01805-w