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我国科学家获得睡莲基因组 揭示早期开花植物进化特征

 2019年12月18日,世界顶级期刊《自然》以《睡莲基因组与开花植物的早期进化》为题,在线发表福建农林大学张亮生课题组获得蓝星睡莲的高质量基因组的研究论文。

张亮生博士是中国园艺学会水生植物分会常务理事,曾获得国家林业和草原局的梁希奖。由他领衔,南京农业大学陈飞、福建农林大学硕士生导师张兴坦等参与的课题组主要从事园艺植物基因组数据挖掘。

据张亮生博士介绍,通常睡莲是指睡莲目睡莲科睡莲属种的睡莲,睡莲属分5个亚属,包括50多种;广义的睡莲包括睡莲科所有物种。睡莲从东北至云南,西至新疆皆有分布;在热带和寒带生于池沼、湖泊等静水水体中。植物园、公园、小区的水体里几乎都有睡莲种植。睡莲和荷花在中国乃至全世界都是最重要的水生观赏花卉,但荷花属于真双子叶,与睡莲亲缘关系差别很远。“之前说荷花与睡莲属于同一类型是误解,只是它们在形态上有很多相似之处。睡莲有50多原生种,而荷花只有两种,睡莲具有更强的适应性和广泛的分布。”张亮生博士说。

花色花香是园艺植物非常重要的性状,其蓝色花瓣在园艺性状中较受欢迎,了解背后的分子机制是分子遗传育种的重要内容。睡莲除了常见花色类型外,还有蓝色、紫色和各种嵌色系,花香类型亦丰富并且浓烈,是理想的花色花香研究材料。睡莲基因组研究,不仅助力睡莲成为早期被子植物的模式植物研究体系及揭示早期开花植物进化特征,且在花色花香等园艺性状研究方面做出一定贡献。

课题组获得蓝星睡莲的高质量基因组,通过系统发育组分析,显示睡莲和无油樟属于早期被子植物类群,通过基因组和转录组分析,睡莲科可能在睡莲目祖先发生了一次基因组加倍事件。

张亮生博士介绍说:睡莲的ABC基因在各个花器官中具有广泛的表达谱,而ABC基因在单子叶和核心双子叶中具有严格的表达模式,表明早期被子植物的ABC基因可能具有广泛的表达,只是在单子叶和核心双子叶中严格表达,是后期进化出来的。睡莲的ABC基因表达情况可能也解释了萼片和花瓣没有真正意义上的分化,与被子植物花的祖先相似。

 睡莲有花色和花香,研究人员推测了它们的合成途径基因。通过比较自然变异的白色花瓣蓝星睡莲与蓝色花瓣的转录组,发现两个重要基因可能编码蓝色花瓣合成途径关键酶。花青素合成通路末端生成的飞燕草素是赋予睡莲蓝色的主要原因。睡莲的花香有11种不同的芳香成分,主要是萜类和脂肪酸等,脂肪酸是睡莲中特有成分,而在单双子叶植物中没有发现。合成倍半萜基因与单双子叶中已知基因不一样。通过基因表达分析,发现一个基因在花瓣中特于高表达,且这个基因所编码的酶在酵母中具有催化脂肪酸的活性,推测其是脂肪酸合成酶。

花香成分及其合成基因进化分析显示,睡莲与核心被子植物是平行进化出花香。由于睡莲独特的进化位置,其基因组展示了早期开花植物的进化特征。通过睡莲基因组发现基因组加倍和花香的起源对被子植物的快速辐射具有重要性,揭示早期开花植物的花器官发育可能不是严格受ABC基因调控。在园艺育种上,蓝色花瓣的合成关键基因的发现可以作为培育蓝色花瓣花卉的候选基因。

张亮生博士说:由于睡莲独特的进化位置,其基因组与转录组结果展示了早期被子植物的进化特点和特征;同时解析了睡莲的花器官发育和花香花色调控基因,对园艺植物分子育种等应用具有重要参考价值。

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