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【植物生物技术Pbj】广东农科院环境园艺研究所发表高质量墨兰基因组，解析了花型、花期、花色、花香和叶色等重要性状的分子调控和进化机制
时间：2021-08-10 09:49 来源：本网原创稿 【字体：大 中 小】
国兰是兰科（Orchidaceae）兰属（Cymbidium）地生型小花种植物的统称，是世界上最早栽培的兰花种类，有“王者之香”“百草之王”的美誉。墨兰（Cymbidium sinense）叶色浓绿、花姿优雅，花幽香高洁，且其花期恰逢中国传统节日春节，又称报岁兰，备受中国和受中国文化影响的亚洲国家人们的喜爱。因其丰富的瓣型、叶色以及香气特征使得其成为研究兰科植物进化的理想材料。
近日，广东省农业科学院环境园艺研究所、广东省园林花卉种质创新综合利用重点实验室朱根发研究员团队在植物学领域国际知名期刊Plant Biotechnology Journal（IF=9.803）在线发表了题为“The genome of Cymbidium sinense revealed the evolution of orchid traits”的研究论文。杨凤玺研究员为第一作者，高洁和魏永路助理研究员为共同第一作者，朱根发研究员与福建农林大学刘仲健教授、台湾成功大学蔡文杰教授为通讯作者，上述单位和深圳兰科植物保育研究中心、华南师范大学等的多位研究人员和学生也参与了该项研究。研究工作得到了广东省自然科学基金团队项目（2017A030312004）、国家重点研发专项（(2018YFD1000400, 2019YFD1001003）等项目的资助。
该研究利用最新的测序技术和生物信息学分析方法，获得了一个高质量的染色体级别的墨兰基因组。采用Nanopore 长片段测序+ Illumina HiSeq 4000二代测序数据校正+Hic建库测序染色体挂载等技术，对墨兰基因组进行了测序分析，组装的墨兰基因组长度为3.52 Gb，染色体挂载率~97.79%，共注释到29,638个基因。这是第一个报道的我国传统国兰的基因组，也是迄今发表的兰科植物属种基因组中最大的基因组。
近日，广东省农业科学院环境园艺研究所、广东省园林花卉种质创新综合利用重点实验室朱根发研究员团队在植物学领域国际知名期刊Plant Biotechnology Journal（IF=9.803）在线发表了题为“The genome of Cymbidium sinense revealed the evolution of orchid traits”的研究论文。杨凤玺研究员为第一作者，高洁和魏永路助理研究员为共同第一作者，朱根发研究员与福建农林大学刘仲健教授、台湾成功大学蔡文杰教授为通讯作者，上述单位和深圳兰科植物保育研究中心、华南师范大学等的多位研究人员和学生也参与了该项研究。研究工作得到了广东省自然科学基金团队项目（2017A030312004）、国家重点研发专项（(2018YFD1000400, 2019YFD1001003）等项目的资助。
该研究利用最新的测序技术和生物信息学分析方法，获得了一个高质量的染色体级别的墨兰基因组。采用Nanopore 长片段测序+ Illumina HiSeq 4000二代测序数据校正+Hic建库测序染色体挂载等技术，对墨兰基因组进行了测序分析，组装的墨兰基因组长度为3.52 Gb，染色体挂载率~97.79%，共注释到29,638个基因。这是第一个报道的我国传统国兰的基因组，也是迄今发表的兰科植物属种基因组中最大的基因组。
图1.墨兰植物形态特征与基因组结构
同时利用高质量的墨兰基因组序列，进行了系统的比较基因组学研究，着重阐述了墨兰花型、花期、花色、花香和叶色等5个重要观赏性状的分子调控和进化机制。
1.花型的调控主要由MADS基因的扩张和亚功能分化决定，新发现P-code基因的显著扩张，新发现4个SEP基因中CsSEP4对墨兰合蕊柱发育的重要作用，并在拟南芥中证实对心皮发育的促进作用。
2.兰属低温依赖的开花调控，发现它没有进化出多年生木本调控低温开花的DAM基因，而由SVP起主要作用。SVP有更广泛的蛋白结合活性，可与AP1和SOC1互作，响应低温，调控开花，且识别位点与十字花科中的保守位点不同。
3.叶色的频繁变异主要原因可能是由于糖代谢途径中CH1亚族基因的严重收缩，造成糖代谢受阻，类囊体垛叠淀粉粒结构破碎，叶绿体解体造成叶色变异。
4.墨兰的花色成分包括矢车菊素和飞燕草素，与蝴蝶兰中没有飞燕草素差异显著。造成成分差异的主要原因是F3’5’H基因在不同兰花中的表达差异，蝴蝶兰中F3’5’H不表达，但该基因蛋白序列在兰科植物中高度保守，底物识别位点完全一致，差异在于启动子上MYB结合位点不同。墨兰中存在更多的花色苷调控相关MYB基因，推测是导致墨兰花色素积累，开紫黑色花的主要原因。
5.墨兰的特殊花香物质主要是倍半萜类，发现TPS合酶中b亚族显著扩张且基因表达模式与释香规律关联紧密，找出特殊香气物质合成的关键TPS基因。
1.花型的调控主要由MADS基因的扩张和亚功能分化决定，新发现P-code基因的显著扩张，新发现4个SEP基因中CsSEP4对墨兰合蕊柱发育的重要作用，并在拟南芥中证实对心皮发育的促进作用。
2.兰属低温依赖的开花调控，发现它没有进化出多年生木本调控低温开花的DAM基因，而由SVP起主要作用。SVP有更广泛的蛋白结合活性，可与AP1和SOC1互作，响应低温，调控开花，且识别位点与十字花科中的保守位点不同。
3.叶色的频繁变异主要原因可能是由于糖代谢途径中CH1亚族基因的严重收缩，造成糖代谢受阻，类囊体垛叠淀粉粒结构破碎，叶绿体解体造成叶色变异。
4.墨兰的花色成分包括矢车菊素和飞燕草素，与蝴蝶兰中没有飞燕草素差异显著。造成成分差异的主要原因是F3’5’H基因在不同兰花中的表达差异，蝴蝶兰中F3’5’H不表达，但该基因蛋白序列在兰科植物中高度保守，底物识别位点完全一致，差异在于启动子上MYB结合位点不同。墨兰中存在更多的花色苷调控相关MYB基因，推测是导致墨兰花色素积累，开紫黑色花的主要原因。
5.墨兰的特殊花香物质主要是倍半萜类，发现TPS合酶中b亚族显著扩张且基因表达模式与释香规律关联紧密，找出特殊香气物质合成的关键TPS基因。
图2. 重要观赏性状的分子调控与进化机制
A．MADS-box基因与花器官形态的进化；B．墨兰季节性开花生理与开花调控模型；C. 蔗糖代谢相关基因家族的基因收缩与叶色变异调控；D. 花色素苷生物合成关键基因的进化与表达；E墨兰TPS基因的进化与表达。
原文链接：
https://doi.org/10.1111/pbi.13676
