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【植物生物技術Pbj】廣東農科院環境園藝研究所發表高質量墨蘭基因組，解析了花型、花期、花色、花香和葉色等重要性狀的分子調控和進化機製
時間：2021-08-10 09:49
來源：本網原創稿
【字體：大中小】
國蘭是蘭科（Orchidaceae）蘭屬（Cymbidium）地生型小花種植物的統稱，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。墨蘭（Cymbidium sinense）葉色濃綠、花姿優雅，花幽香高潔，且其花期恰逢中國傳統節日春節，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化的理想材料。
近日，必威betways 環境園藝研究所、廣東省園林花卉種質創新綜合利用重點實驗室朱根發研究員團隊在植物學領域國際知名期刊Plant Biotechnology Journal（IF=9.803）在線發表了題為“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，朱根發研究員與福建農林大學劉仲健教授、台灣成功大學蔡文傑教授為通訊作者，上述單位和深圳蘭科植物保育研究中心、華南師範大學等的多位研究人員和學生也參與了該項研究。研究工作得到了廣東省自然科學基金團隊項目（2017A030312004）、國家重點研發專項（(2018YFD1000400, 2019YFD1001003）等項目的資助。
該研究利用最新的測序技術和生物信息學分析方法，獲得了一個高質量的染色體級別的墨蘭基因組。采用Nanopore 長片段測序+ Illumina HiSeq 4000二代測序數據校正+Hic建庫測序染色體掛載等技術，對墨蘭基因組進行了測序分析，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國蘭的基因組，也是迄今發表的蘭科植物屬種基因組中最大的基因組。
近日，必威betways 環境園藝研究所、廣東省園林花卉種質創新綜合利用重點實驗室朱根發研究員團隊在植物學領域國際知名期刊Plant Biotechnology Journal（IF=9.803）在線發表了題為“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，朱根發研究員與福建農林大學劉仲健教授、台灣成功大學蔡文傑教授為通訊作者，上述單位和深圳蘭科植物保育研究中心、華南師範大學等的多位研究人員和學生也參與了該項研究。研究工作得到了廣東省自然科學基金團隊項目（2017A030312004）、國家重點研發專項（(2018YFD1000400, 2019YFD1001003）等項目的資助。
該研究利用最新的測序技術和生物信息學分析方法，獲得了一個高質量的染色體級別的墨蘭基因組。采用Nanopore 長片段測序+ Illumina HiSeq 4000二代測序數據校正+Hic建庫測序染色體掛載等技術，對墨蘭基因組進行了測序分析，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國蘭的基因組，也是迄今發表的蘭科植物屬種基因組中最大的基因組。
圖1.墨蘭植物形態特征與基因組結構
同時利用高質量的墨蘭基因組序列，進行了係統的比較基因組學研究，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控和進化機製。
1.花型的調控主要由MADS基因的擴張和亞功能分化決定，新發現P-code基因的顯著擴張，新發現4個SEP基因中CsSEP4對墨蘭合蕊柱發育的重要作用，並在擬南芥中證實對心皮發育的促進作用。
2.蘭屬低溫依賴的開花調控，發現它沒有進化出多年生木本調控低溫開花的DAM基因，而由SVP起主要作用。SVP有更廣泛的蛋白結合活性，可與AP1和SOC1互作，響應低溫，調控開花，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於糖代謝途徑中CH1亞族基因的嚴重收縮，造成糖代謝受阻，類囊體垛疊澱粉粒結構破碎，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差異，蝴蝶蘭中F3’5’H不表達，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，差異在於啟動子上MYB結合位點不同。墨蘭中存在更多的花色苷調控相關MYB基因，推測是導致墨蘭花色素積累，開紫黑色花的主要原因。
5.墨蘭的特殊花香物質主要是倍半萜類，發現TPS合酶中b亞族顯著擴張且基因表達模式與釋香規律關聯緊密，找出特殊香氣物質合成的關鍵TPS基因。
1.花型的調控主要由MADS基因的擴張和亞功能分化決定，新發現P-code基因的顯著擴張，新發現4個SEP基因中CsSEP4對墨蘭合蕊柱發育的重要作用，並在擬南芥中證實對心皮發育的促進作用。
2.蘭屬低溫依賴的開花調控，發現它沒有進化出多年生木本調控低溫開花的DAM基因，而由SVP起主要作用。SVP有更廣泛的蛋白結合活性，可與AP1和SOC1互作，響應低溫，調控開花，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於糖代謝途徑中CH1亞族基因的嚴重收縮，造成糖代謝受阻，類囊體垛疊澱粉粒結構破碎，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差異，蝴蝶蘭中F3’5’H不表達，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，差異在於啟動子上MYB結合位點不同。墨蘭中存在更多的花色苷調控相關MYB基因，推測是導致墨蘭花色素積累，開紫黑色花的主要原因。
5.墨蘭的特殊花香物質主要是倍半萜類，發現TPS合酶中b亞族顯著擴張且基因表達模式與釋香規律關聯緊密，找出特殊香氣物質合成的關鍵TPS基因。
圖
2.
重要觀賞性狀的分子調控與進化機製
A．MADS-box基因與花器官形態的進化；B．墨蘭季節性開花生理與開花調控模型；C. 蔗糖代謝相關基因家族的基因收縮與葉色變異調控；D. 花色素苷生物合成關鍵基因的進化與表達；E墨蘭TPS基因的進化與表達。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1111/pbi.13676
