揭示镜像花的左右之谜

许多动物和植物的身体或器官排列都存在左右差异。但科学家对于这类不对称性是如何进化的，以及基因又是如何在自然种群中控制这种不对称性的，仍知之甚少。

镜像花是这类不对称性的一个典型例子：在左型花和右型花中，雌性与雄性生殖器官分别偏向彼此相反的两侧，两种花型的排列互为镜像。

在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一个国际研究团队通过分析一类名为蝴蝶百合（Wachendorfia paniculata）的植物，揭示了这种不对称排列方式的分子基础。研究发现，雌雄生殖器官的位置由内在的不对称性与向重力性共同控制，并发现且还存在一个超基因决定了植株形成的花柱和雄蕊会稳定地向左还是向右弯曲。

镜像花之谜

蝴蝶百合是一类由昆虫传粉的植物，产于非洲。它们的雌雄生殖器官分别向相反两侧偏转，形成互为镜像的左、右两种花型，而每株植物只会产生其中一种。

南非蝴蝶百合的花部器官排列。粉色箭头指向花柱，蓝色箭头指向雄蕊。（图/Arbeitsgruppe Genetik, Universität Potsdam）

这种镜像结构有助于促进异交。两种花型会将花粉分别沾附在传粉者身体的特定部位，而这些部位恰好与另一种花型的柱头位置相对应。这样一来，传粉者访问另一种花型时，花粉便更有可能被传递到其柱头上。研究人员由此推测，自然选择可能通过提高两种花型之间的花粉传递效率，维持这种天然的多态性。

然而，一个多世纪以来，蝴蝶百合的这种左右不对称现象一直被视为一个经典的进化谜题：这种精确的镜像结构究竟是如何形成的，又受到怎样的遗传机制控制？

对蝴蝶百合的野外观察表明，可能存在一个简单的遗传开关，在单株植物水平上固定花朵的左右偏向类型。也就是说，同一株植物只会产生左型花或右型花中的一种。

重力如何定义左右

在新的研究中，研究人员结合花朵发育成像、生物力学建模、基因组学、转录组学，以及对自然发生突变体的分析，试图回答三个问题：这种左右不对称如何在组织层面形成，它的方向如何确定，以及哪些基因和基因组结构构成了这种多态性的遗传基础。

研究发现，蝴蝶百合生殖器官的偏转由两个过程共同造成：一是器官自身发生内在扭转，二是花朵开放过程中产生向重力反应，进一步放大这种偏转。

研究团队通过花蕾旋转实验证实，花柱以及与之反向偏转的中央雄蕊，并不是依据花朵内部的某条轴线确定朝向，而是以重力方向为参照来区分左与右。换言之，蝴蝶百合的左右方向由重力这一外部线索确定。在发育过程中，花柱先发生扭转，随后在重力影响下继续进行不对称生长，从花朵中线向左侧或右侧偏转。

生物力学模型也进一步表明，要形成研究中观察到的明显偏转，器官扭转与差异性伸长缺一不可，二者共同促使花柱和雄蕊偏离花朵中线。实验也证实，在去除稳定的重力方向线索后，花柱大多会保持近乎笔直。

控制左右的两个基因

接下来，研究人员把目光转向了控制花朵左右类型的基因。通过比较不同植株的基因组，他们发现，在研究涉及的四种蝴蝶百合以及一个近缘属中，只有右型植株拥有一段特殊而且较大的基因组区域。研究人员由此推测，这段区域可能就是决定右型花形成的关键。

进一步分析发现，这段区域中包含两个重要基因。在右型花中，它们分别在朝向相反的两个生殖器官中表达：微RNA基因MIR156-R在花柱中表达，而生长素生物合成基因YUCCA-R（YUC-R）则在与花柱反向偏转的雄蕊花丝中表达。研究人员推测，这两个基因分别独立控制花柱和雄蕊的朝向，从而协调花柱和雄蕊朝向相反两侧。

蝴蝶百合会形成两种花型：一种花型的花柱（橙色）指向左侧，中央雄蕊（蓝色）指向右侧；另一种花型的方向则完全相反。两种花型由此实现高效的异花传粉（灰色箭头）。花柱向右偏转的植株含有一个半合子型超基因，其中包含两个能够分别逆转两个生殖器官的内在手性的基因。两种花型中的器官都会对重力(g)作出相同反应，从而将这种内在手性转化为花朵互为镜像的左右偏向。（图/Xue et al. / Science）

自然界中偶尔也会出现一些异常植株，它们的花柱和雄蕊没有分居两侧，而是一起偏向同一侧。研究人员对这些植株进行基因组测序后发现，它们分别携带MIR156-R或YUC-R的功能缺失突变。

当MIR156-R发生突变时，花柱的方向发生改变，雌雄生殖器官最终都偏向左侧；当YUC-R发生突变时，雄蕊的朝向发生改变，最终与花柱一起偏向右侧。这些天然突变体相当于提供了一场“自然实验”，为两个基因分别控制花柱和雄蕊朝向提供了有力证据。

超基因的配对机制

综合这些结果，研究人员发现，控制蝴蝶百合左右花型的并不是单个基因，而是一个半合子型超基因。这个超基因将两个分别控制花柱和雄蕊朝向的基因紧密连接在同一段不发生重组的基因组区域中，使它们能够作为一个整体共同遗传。这种结构保证了花柱和雄蕊的朝向始终成套出现，从而维持两种花型之间相互匹配的器官排列，而这正是实现高效异花传粉的关键。

研究人员同时指出，这项研究是长期国际合作的成果。开普敦团队负责南非种群的野外调查和分子分析，瓦赫宁根团队建立数学与生物力学模型，波茨坦团队则完成基因组学和细胞生物学研究。正是野外、实验与理论方法的结合，最终帮助研究人员解开了镜像花之谜。

#参考来源：

https://www.uni-potsdam.de/en/headlines-and-featured-stories/detail/2026-07-30-mystery-of-evolution-solved-supergene-controls-mirror-image-flowers

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb1157

#图片来源：

封面图&首图：corinaselberg / Pixabay