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【植物生物技術(shù)Pbj】廣東農(nóng)科院環(huán)境園藝研究所發(fā)表高質(zhì)量墨蘭基因組，解析了花型、花期、花色、花香和葉色等重要性狀的分子調(diào)控和進(jìn)化機(jī)制
時間：2021-08-10 09:49 來源：本網(wǎng)原創(chuàng)稿 【字體：大 中 小】
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國蘭是蘭科（Orchidaceae）蘭屬（Cymbidium）地生型小花種植物的統(tǒng)稱，是世界上最早栽培的蘭花種類，有“王者之香”“百草之王”的美譽(yù)。墨蘭（Cymbidium sinense）葉色濃綠、花姿優(yōu)雅，花幽香高潔，且其花期恰逢中國傳統(tǒng)節(jié)日春節(jié)，又稱報歲蘭，備受中國和受中國文化影響的亞洲國家人們的喜愛。因其豐富的瓣型、葉色以及香氣特征使得其成為研究蘭科植物進(jìn)化的理想材料。
近日，廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境園藝研究所、廣東省園林花卉種質(zhì)創(chuàng)新綜合利用重點實驗室朱根發(fā)研究員團(tuán)隊在植物學(xué)領(lǐng)域國際知名期刊Plant Biotechnology Journal（IF=9.803）在線發(fā)表了題為“The genome of Cymbidium sinense revealed the evolution of orchid traits”的研究論文。楊鳳璽研究員為第一作者，高潔和魏永路助理研究員為共同第一作者，朱根發(fā)研究員與福建農(nóng)林大學(xué)劉仲健教授、臺灣成功大學(xué)蔡文杰教授為通訊作者，上述單位和深圳蘭科植物保育研究中心、華南師范大學(xué)等的多位研究人員和學(xué)生也參與了該項研究。研究工作得到了廣東省自然科學(xué)基金團(tuán)隊項目（2017A030312004）、國家重點研發(fā)專項（(2018YFD1000400, 2019YFD1001003）等項目的資助。
該研究利用最新的測序技術(shù)和生物信息學(xué)分析方法，獲得了一個高質(zhì)量的染色體級別的墨蘭基因組。采用Nanopore 長片段測序+ Illumina HiSeq 4000二代測序數(shù)據(jù)校正+Hic建庫測序染色體掛載等技術(shù)，對墨蘭基因組進(jìn)行了測序分析，組裝的墨蘭基因組長度為3.52 Gb，染色體掛載率~97.79%，共注釋到29,638個基因。這是第一個報道的我國傳統(tǒng)國蘭的基因組，也是迄今發(fā)表的蘭科植物屬種基因組中最大的基因組。
近日，廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境園藝研究所、廣東省園林花卉種質(zhì)創(chuàng)新綜合利用重點實驗室朱根發(fā)研究員團(tuán)隊在植物學(xué)領(lǐng)域國際知名期刊Plant Biotechnology Journal（IF=9.803）在線發(fā)表了題為“The genome of Cymbidium sinense revealed the evolution of orchid traits”的研究論文。楊鳳璽研究員為第一作者，高潔和魏永路助理研究員為共同第一作者，朱根發(fā)研究員與福建農(nóng)林大學(xué)劉仲健教授、臺灣成功大學(xué)蔡文杰教授為通訊作者，上述單位和深圳蘭科植物保育研究中心、華南師范大學(xué)等的多位研究人員和學(xué)生也參與了該項研究。研究工作得到了廣東省自然科學(xué)基金團(tuán)隊項目（2017A030312004）、國家重點研發(fā)專項（(2018YFD1000400, 2019YFD1001003）等項目的資助。
該研究利用最新的測序技術(shù)和生物信息學(xué)分析方法，獲得了一個高質(zhì)量的染色體級別的墨蘭基因組。采用Nanopore 長片段測序+ Illumina HiSeq 4000二代測序數(shù)據(jù)校正+Hic建庫測序染色體掛載等技術(shù)，對墨蘭基因組進(jìn)行了測序分析，組裝的墨蘭基因組長度為3.52 Gb，染色體掛載率~97.79%，共注釋到29,638個基因。這是第一個報道的我國傳統(tǒng)國蘭的基因組，也是迄今發(fā)表的蘭科植物屬種基因組中最大的基因組。
圖1.墨蘭植物形態(tài)特征與基因組結(jié)構(gòu)
?????? 同時利用高質(zhì)量的墨蘭基因組序列，進(jìn)行了系統(tǒng)的比較基因組學(xué)研究，著重闡述了墨蘭花型、花期、花色、花香和葉色等5個重要觀賞性狀的分子調(diào)控和進(jìn)化機(jī)制。
1.花型的調(diào)控主要由MADS基因的擴(kuò)張和亞功能分化決定，新發(fā)現(xiàn)P-code基因的顯著擴(kuò)張，新發(fā)現(xiàn)4個SEP基因中CsSEP4對墨蘭合蕊柱發(fā)育的重要作用，并在擬南芥中證實對心皮發(fā)育的促進(jìn)作用。
2.蘭屬低溫依賴的開花調(diào)控，發(fā)現(xiàn)它沒有進(jìn)化出多年生木本調(diào)控低溫開花的DAM基因，而由SVP起主要作用。SVP有更廣泛的蛋白結(jié)合活性，可與AP1和SOC1互作，響應(yīng)低溫，調(diào)控開花，且識別位點與十字花科中的保守位點不同。
3.葉色的頻繁變異主要原因可能是由于糖代謝途徑中CH1亞族基因的嚴(yán)重收縮，造成糖代謝受阻，類囊體垛疊淀粉粒結(jié)構(gòu)破碎，葉綠體解體造成葉色變異。
4.墨蘭的花色成分包括矢車菊素和飛燕草素，與蝴蝶蘭中沒有飛燕草素差異顯著。造成成分差異的主要原因是F3’5’H基因在不同蘭花中的表達(dá)差異，蝴蝶蘭中F3’5’H不表達(dá)，但該基因蛋白序列在蘭科植物中高度保守，底物識別位點完全一致，差異在于啟動子上MYB結(jié)合位點不同。墨蘭中存在更多的花色苷調(diào)控相關(guān)MYB基因，推測是導(dǎo)致墨蘭花色素積累，開紫黑色花的主要原因。
5.墨蘭的特殊花香物質(zhì)主要是倍半萜類，發(fā)現(xiàn)TPS合酶中b亞族顯著擴(kuò)張且基因表達(dá)模式與釋香規(guī)律關(guān)聯(lián)緊密，找出特殊香氣物質(zhì)合成的關(guān)鍵TPS基因。
1.花型的調(diào)控主要由MADS基因的擴(kuò)張和亞功能分化決定，新發(fā)現(xiàn)P-code基因的顯著擴(kuò)張，新發(fā)現(xiàn)4個SEP基因中CsSEP4對墨蘭合蕊柱發(fā)育的重要作用，并在擬南芥中證實對心皮發(fā)育的促進(jìn)作用。
2.蘭屬低溫依賴的開花調(diào)控，發(fā)現(xiàn)它沒有進(jìn)化出多年生木本調(diào)控低溫開花的DAM基因，而由SVP起主要作用。SVP有更廣泛的蛋白結(jié)合活性，可與AP1和SOC1互作，響應(yīng)低溫，調(diào)控開花，且識別位點與十字花科中的保守位點不同。
3.葉色的頻繁變異主要原因可能是由于糖代謝途徑中CH1亞族基因的嚴(yán)重收縮，造成糖代謝受阻，類囊體垛疊淀粉粒結(jié)構(gòu)破碎，葉綠體解體造成葉色變異。
4.墨蘭的花色成分包括矢車菊素和飛燕草素，與蝴蝶蘭中沒有飛燕草素差異顯著。造成成分差異的主要原因是F3’5’H基因在不同蘭花中的表達(dá)差異，蝴蝶蘭中F3’5’H不表達(dá)，但該基因蛋白序列在蘭科植物中高度保守，底物識別位點完全一致，差異在于啟動子上MYB結(jié)合位點不同。墨蘭中存在更多的花色苷調(diào)控相關(guān)MYB基因，推測是導(dǎo)致墨蘭花色素積累，開紫黑色花的主要原因。
5.墨蘭的特殊花香物質(zhì)主要是倍半萜類，發(fā)現(xiàn)TPS合酶中b亞族顯著擴(kuò)張且基因表達(dá)模式與釋香規(guī)律關(guān)聯(lián)緊密，找出特殊香氣物質(zhì)合成的關(guān)鍵TPS基因。
圖2. 重要觀賞性狀的分子調(diào)控與進(jìn)化機(jī)制
?????? A．MADS-box基因與花器官形態(tài)的進(jìn)化；B．墨蘭季節(jié)性開花生理與開花調(diào)控模型；C. 蔗糖代謝相關(guān)基因家族的基因收縮與葉色變異調(diào)控；D. 花色素苷生物合成關(guān)鍵基因的進(jìn)化與表達(dá)；E墨蘭TPS基因的進(jìn)化與表達(dá)。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1111/pbi.13676
