园艺植物基因组学研究进展论文

菊花 ( Chrysanthemum ×morifolium Ramat.)是世界著名的观赏植物，具有千姿百态的花型。实际上，菊花的花是指由外围的 舌状花 和盘心的 管状花 共同构成的头状花序。 其花型由头状花序上舌状花和管状花的形态和相对数量决定 。解析同一头状花序上舌状花和管状花分化的分子调控机制不仅可以为阐明菊花复杂的头状花序形态奠定基础，也将为菊科植物头状花序发育提供新见解。但目前关于菊花花型的研究受到其复杂遗传背景的限制，导致无法充分利用菊花丰富的基因资源进行花型定向育种。因此，获得高质量的菊花及其近缘种的基因组信息并在此基础上研究头状花序发育的分子调控机制显得尤为必要。

近日， Horticulture Research 在线发表了北京林业大学戴思兰团队题为 The Chrysanthemum lavandulifolium genome and the molecular mechanism underlying diverse capitulum types 的研究论文。 该论文完成了菊花近缘野生种之一甘菊( C. lavandulifolium )的全基因测序工作，获得了染色体水平上的高质量甘菊参考基因组， 结合3种不同类型菊科植物头状花序的转录组数据初步解析了头状花序发育的分子调控机制，为实现人工调控菊花花型奠定了坚实的分子理论基础。

甘菊为菊属植物中的二倍体物种，采用 Illumina + Pacbio + Hi-C 测序技术对其进行全基因测序，获得了 2.60 Gb 的染色体水平的参考基因组。其中94.46%的序列锚定到 9 条染色体上。甘菊基因组中重复序列占基因组的67.69%， Cypsy 和 Copia 的占比分别为37.92%和29.06%，插入时间在1.25百万年前。

与其他10个物种建立进化树， showed that C. lavandulifolium diverged from C. nankingense at approximately 7.2 Mya 。比较了11个物种之间基因家族的扩张和收缩，以研究基因家族的进化。结果表明，C. lavandulifolium 有1305个和453个基因家族扩增和收缩 (图1b)。扩增的基因家族在花发育相关和细胞合成相关的GO中富集（补充表）。

比较基因组分析结果表明，甘菊经历了 两次 全基因组复制(WGD)事件，其中 最近 的一次是所有菊科植物共有的，而 较早 的一次是核心双子叶植物共有的γ事件， 甘菊自身没有发生WGD，其基因组演化的动力来源主要是串联重复事件 。

基于 甘菊头状花序发育的6个重要时期 和 其他菊科植物 不同类型头状花序发育关键时期的转录组有参分析发现， MADS-box、TCP、NAC 和 LOB基因家族 可能参与 管状花 和 舌状花 的分化。值得注意的是， NAM 和 LOB30 高表达于舌管兼备型的头状花序中，而在全舌型和全管型的头状花序中表达量相对较低，这表明其可能是参与两类小花分化的关键基因。

结合关键基因在 全舌型、全管型 以及 舌管兼备型 的头状花序中的表达模式和蛋白互作模式，初步推测并构建了不同类型头状花序发育可能的调控机制。

总之， NAM 和 LOB 不仅可以与花序分生组织相关基因如 LFY 等互作，也可以与两类小花身份决定基因如 CYC2- LIKE 等基因互作，这表明 NAM 和 LOB30 在头状花序上舌状花和管状花原基分化调控中的关键角色**。

高质量甘菊参考基因组的获得不仅可以为栽培菊花基因组的破译提供有效的参考，更为解析菊花乃至菊科植物多样的生物学性状提供丰富的基因资源。

北京林业大学 戴思兰教授课题组 一直致力于 菊花研究，基于植物系统学研究方法对菊属植物种间亲缘关系和菊花品种起源进行探索，在种质资源评价，花色、花型、开花期和抗逆性等观赏性状形成的分子机理，菊花优异种质创制以及产业化栽培技术等开展了全面研究，取得了一系列重要突破性进展和研究成果。 本研究得到了国家自然科学基金重点项目(31530064)和国家重点研发专项(2018YFD1000403)的资助。

甘菊 : Chrysanthemum lavandulifolium

Among these plants , the most important families are as follows , Ranunculaceae, Berberidaceae, Menispermaceae, Papaveraceae, Rutaceae, Fabaceae, Apocynaceae, Solanaceae, Asteraceae and so on. 其中主要的科为:毛莨科 、 小檗科、防己科 、 芸香科 、 罂粟科 、 豆科 、 夹竹桃科 、 茄科 、 菊科等.

菊科里有两个亚科，一为管状花亚科，一为舌状花亚科。

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近日，洛阳师范学院植物多样性保护课题组联合菲沙基因在国际主流期刊 Molecular Ecology Resources （IF=7.09，中科院一区）上发表了题为“ The chromosome-scale genome assembly,annotation and evolution of Rhododendron henanense subsp. lingbaoense ”的研究论文。该研究通过PacBio+Hi-C技术首次构建了我国特有杜鹃种-灵宝杜鹃的高质量参考基因组，随后基于比较基因组分析揭示了灵宝杜鹃与其它杜鹃间的共线性，同时也初步揭示了灵宝杜鹃逆境适应性的分子机制，从而为灵宝杜鹃的种质资源保护与进化研究提供了新见解。

杜鹃花具有较高的观赏、园艺与药用价值，近期也有大量关于杜鹃花属的基因组与转录组研究报道，这些报道对于杜鹃花属基因家族的进化和广泛的表型可塑性研究具有重要意义。但到目前为止，我国特有杜鹃种-灵宝杜鹃的基因组尚未有报道，这限制了对其遗传资源、环境适应性及分子进化的研究，因此构建灵宝杜鹃基因组具有重要理论意义。

材料 ：灵宝杜鹃（ Rhododendron henanense subsp. lingbaoense） 测序策略 ：PacBio（220×）+Hi-C（100×）+Illumina（90×）

通过Survey分析，预估灵宝杜鹃基因组大小为654.12Mb，杂合为0.72%。随后研究者利用高深度的PacBio测序和Hi-C辅助组装，构建了高质量的染色体水平灵宝杜鹃基因组，其基因组大小为 622.72Mb，Contig N50=2.54Mb，Scaffold N50=50.18Mb 。接着，研究者通过多种方法证实了基因组组装的完整性与准确性，三代数据的比对率为97.85%，BUSCO评估基因组完整性为97%，二代数据检测基因组单碱基错误率仅为0.0003%；且与已发表的其它杜鹃属物种相比，本研究组装的基因组完整性和准确性都是最好的。

结合从头注释、同源注释和全长转录组注释，研究者在灵宝杜鹃种鉴定到 31098 个蛋白编码基因，平均每个基因的长度为 6393.37 bp ，其中88.77%的基因都可以得到功能注释。灵宝杜鹃基因组中65.76%的序列都是重复序列，其中LTR的含量最高。此外，研究者在灵宝杜鹃中还鉴定到 2251个rRNAs、448个tRNAs、488个snRNAs 以及94个miRNAs。

研究者选取14个近缘物种用于灵宝杜鹃的比较基因组分析，共鉴定到15483个基因家族，其中168个是灵宝杜鹃特有的基因家族。系统进化树分析表明， 杜鹃属内的亲缘关系较为密切 ，其分化时间大致在12.3 ~ 19.9百万年前，而猕猴桃、山茶属与杜鹃属的分化时间大致在64.6~73.8百万年前。

共线性分析表明，马缨杜鹃（ Rhododendron delavayi ）、圆叶杜鹃（ Rhododendron williamsianum ）、杜鹃（ Rhododendron simsii ）与灵宝杜鹃间的共线性非常好，且以单染色体与单染色体间的共线性为主，但不同杜鹃的基因组间也存在染色体重排事件。通过WGD分析，检测到杜鹃属和山茶属有一个相似的WGD峰（Ks值在0.637到0.715），结合分子时钟，研究者确定了杜鹃属植物先发生一次WGD事件（79.2百万年前），而后与近缘种山茶属产生了分化。基因扩增收缩分析表明，灵宝杜鹃中有2257个基因家族发生了扩张， 扩张基因显著富集在与对水杨酸的响应、细胞对酸化学的响应、防御反应的调节、应激反应的调节相关的通路中，这证实了灵宝杜鹃对逆境有着极强的抗性；收缩的基因则显著富集在与萜合酶活性、碳氧裂解酶活性和ADP结合相关的通路中。

之前研究表明， MYB的同源基因调控植物发育、花朵颜色和胁迫反应中发挥重要作用 ，研究者随后鉴定了灵宝杜鹃中MYB基因家族的变化。结果表明，灵宝杜鹃中存在110个MYB的同源基因，在13条染色体上都有分布，其MYB基因的数目要小于棉花、油菜等物种，且灵宝杜鹃中部分MYB基因存在串联重复事件。此外，基于MYB基因构建的系统进化树表明，灵宝杜鹃的MYB基因与拟南芥中的MYB基因属于不同的分类。这些结果将有助于后续MYB基因的功能验证工作。

总 结

本研究通过PacBio和Hi-C技术构建了染色体水平的灵宝杜鹃基因组，在此基础上通过与其它杜鹃植物及近缘植物进行比较分析，阐述了灵宝杜鹃的基因组进化、WGD事件、与逆境适应性相关基因的扩张与分类，从而为灵宝杜鹃种质资源保护、新品种选育及遗传进化研究提供了新见解。