中國科學院昆明植物研究所
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頭條新聞

昆明植物所基于月季基因組和遺傳學分析提出“皮刺儲水”功能新假說

文章来源:中國科學院东亚植物多样性与生物地理学重点实验室  |  发布时间:2021-05-24  |  作者:仲米财,胡金勇  |  浏览次数:  |  【打印】 【關閉

 

  皮刺是指植物表皮或皮層形成的尖銳突起,通常被認爲是植物的防衛適應組織,保護植物免受動物、病原體或機械傷害。許多薔薇科、豆科和芸香科等植物的莖杆、葉子和果實上都有皮刺,但幼嫩或發育早期的皮刺功能尚未得到揭示。 

  月季花(China Rose)爲薔薇科(Rosaceae)薔薇屬(Rosa)植物,一般指月季(Rosa chinensis),與薔薇(R. multiflora)、玫瑰(R. rugosa)親緣關系很近,但爲不同種系。月季爲“花中皇後”,代表堅韌不屈的精神,花香悠遠,是世界上最重要的花卉之一。“帶刺的玫瑰”提醒著人們玫瑰雖美卻要小心它紮人的刺,隱喻著我們願意忍受不愉快的事物,因爲它是美好事物的一部分。古今中外都有關于帶刺玫瑰的小說或童話故事。月季原産我國,但其皮刺發育的遺傳機制及其生態學意義長期未得到系統和明確的解析。培育無刺或少刺的月季種質也會爲現代月季産業提供一個新的育種方向,具有重要經濟價值。 

  最近,中國科學院昆明植物所植物分子遗传与适应研究团队与中國西南野生生物種質資源庫和云南省农科院的团队合作,以中国古老月季‘無刺光葉薔薇’(R. wichuraiana ‘Basye’s Thornless’,BT)和‘月月粉’(R. chinensis Old Blush’,OB)及其雜交F1和回交BC1F1世代遺傳群體等爲試材,綜合利用比較基因組學、分子遺傳學和演化生物學等方法手段解析了月季皮刺遺傳調控機制,並提出了發育早期的皮刺具儲水功能的假設,填補了皮刺早期功能研究的空白。 

  研究團隊首先利用掃描電鏡技術比較了BT和OB皮刺發育早期過程,發現BT皮刺缺失可能是皮刺發育的起始能力出現異常。基于BT x OB的F1和BC1F1世代群體開展了連續兩年的表型分析,並發現月季皮刺密度遺傳受四個遺傳位點不完全顯性控制。基于團隊前期構建的高密度遺傳群體(Li等2018)定位到兩個基因座(QTL),並極大縮小了前人研究定位到的QTL區間至約2.2Mb(圖1)。 

  爲更深入理解月季皮刺發育的遺傳調控機制,該團隊構建了二倍體BT染色體水平高質量參考基因組。該基因組大小約爲530.6 Mb;遺傳圖比對、BUSCO分析、二代reads回貼、與單倍體OB基因組比較、單堿基水平正確率分析和LTR組裝指數(LAI=20.03,達到了golden reference水平)等方法均確認了BT基因組的高准確性。BT基因組包含32,674個蛋白質編碼基因;BT基因組中Copia類型LTR占43.4%,是已知植物基因組中Copia/Gypsy比最高的物種之一(圖2)。 

  接下來,研究團隊對BT和OB進行了比較基因組分析。發現BT和OB各自擁有特異擴張和收縮的基因家族,其中NAC和FAR1/FRS家族基因的特異擴張可能與BT材料抗黑斑病和開花時枝條直立生長轉型相關(Zhong等2021)。BT和OB可能的皮刺發育起始基因調控網絡成分比較保守。皮刺控制QTL1區間發生顯著純化選擇,且該區間內差異表達的基因中富集與水分儲存和運輸相關的基因,如水通道蛋白編碼基因PIP2s等。相對于有刺的OB,無刺BT中正調控因子GISTTG1表達顯著下調,而負調控因子TRY表達顯著上調;QTL區間中的RwMYB27-likeRwTT2-like等基因表達與OB相比顯著差異。同時,皮刺發育關鍵下遊基因TTG2的表達在BTOB間也出現顯著分化,即皮刺發育基因調控網絡中的一些重要因子表達變化引起TTG2轉錄水平(的時空)變異可能決定了月季皮刺的有無。 

  有趣的是,QTL1區間中兩個PIP2基因表達和結構在BT和OB間出現明顯分化;從而意味著皮刺密度可能與水分適應有關。爲更進一步探究這一假設,該團隊對41個基因型的月季進行了一系列生理測試。當年生的枝條皮刺相對于表皮和葉片更能富集水分,且該富集程度在幼嫩的皮刺中更高;而較老的枝條中皮刺的水分含量則顯著下降;該現象不僅在現代栽培品系和中國古老月季種質中出現,還在野生薔薇等材料中保持一致。因此,研究團隊提出幼嫩皮刺很可能具有儲水功能的假設。盡管還需要更多遺傳學證據,這一假設完善了皮刺生物學功能研究鏈條:即幼嫩皮刺以儲水爲主,而成熟皮刺以防衛和防失水等功能爲主。 

  該團隊系統研究了無刺BT和有刺OB間的重要遺傳分化,探究了月季皮刺遺傳調控機制,揭示了基因表達變異可能是皮刺表型分化的基礎,提出了皮刺發育早期的生理學功能假設,構建了重要遺傳和基因組資源。該項工作不僅促進了對月季皮刺發育遺傳機理的解析,有利于月季生物學的發展和新種質的培育,並爲更好理解植物新性狀産生與維持機制提供了新視角。 

  研究成果以A genomic link in China roses: and they all lived prickly but water deficient ever after?”爲題在National Science Review在线发表。研究工作得到中國科學院战略性先导专项(B類)(XDB31000000)等支持。中國科學院昆明植物研究所胡金勇研究员、李德铢研究员和云南省农科院唐开学研究员为共同通讯作者。昆明植物研究所仲米财博士为第一作者;研究生蒋晓东、崔卫华、锁志全、孙弋博、王丹和杨国骞博士、董雪博士、云南省农科院的王维嘉及北京百迈客生物科技有限公司的程新超和李绪明参与了本研究。 

  文章鏈接1 

  文章鏈接2 

 

1 月季皮刺遗传调控的解析及早期皮刺储水假设的提出 

 

2 BT的形态特征和染色体水平高质量基因组 

(責任編輯:李雪)

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