本網(wǎng)訊 記者柏斌報(bào)道 2019年12月18日，世界頂級(jí)期刊《自然》以《睡蓮基因組與開(kāi)花植物的早期進(jìn)化》為題，在線發(fā)表福建農(nóng)林大學(xué)張亮生課題組獲得藍(lán)星睡蓮的高質(zhì)量基因組的研究論文。

張亮生博士是中國(guó)園藝學(xué)會(huì)水生植物分會(huì)常務(wù)理事，曾獲得國(guó)家林業(yè)和草原局的梁希獎(jiǎng)。由他領(lǐng)銜，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)陳飛、福建農(nóng)林大學(xué)碩士生導(dǎo)師張興坦等參與的課題組主要從事園藝植物基因組數(shù)據(jù)挖掘。

據(jù)張亮生博士介紹，通常睡蓮是指睡蓮目睡蓮科睡蓮屬種的睡蓮，睡蓮屬分5個(gè)亞屬，包括50多種;廣義的睡蓮包括睡蓮科所有物種。睡蓮從東北至云南，西至新疆皆有分布;在熱帶和寒帶生于池沼、湖泊等靜水水體中。植物園、公園、小區(qū)的水體里幾乎都有睡蓮種植。睡蓮和荷花在中國(guó)乃至全世界都是最重要的水生觀賞花卉，但荷花屬于真雙子葉，與睡蓮親緣關(guān)系差別很遠(yuǎn)。“之前說(shuō)荷花與睡蓮屬于同一類(lèi)型是誤解，只是它們?cè)谛螒B(tài)上有很多相似之處。睡蓮有50多原生種，而荷花只有兩種，睡蓮具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和廣泛的分布。”張亮生博士說(shuō)。

花色花香是園藝植物非常重要的性狀，其藍(lán)色花瓣在園藝性狀中較受歡迎，了解背后的分子機(jī)制是分子遺傳育種的重要內(nèi)容。睡蓮除了常見(jiàn)花色類(lèi)型外，還有藍(lán)色、紫色和各種嵌色系，花香類(lèi)型亦豐富并且濃烈，是理想的花色花香研究材料。睡蓮基因組研究，不僅助力睡蓮成為早期被子植物的模式植物研究體系及揭示早期開(kāi)花植物進(jìn)化特征，且在花色花香等園藝性狀研究方面做出一定貢獻(xiàn)。

課題組獲得藍(lán)星睡蓮的高質(zhì)量基因組，通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育組分析，顯示睡蓮和無(wú)油樟屬于早期被子植物類(lèi)群，通過(guò)基因組和轉(zhuǎn)錄組分析，睡蓮科可能在睡蓮目祖先發(fā)生了一次基因組加倍事件。

張亮生博士介紹說(shuō)：睡蓮的ABC基因在各個(gè)花器官中具有廣泛的表達(dá)譜，而ABC基因在單子葉和核心雙子葉中具有嚴(yán)格的表達(dá)模式，表明早期被子植物的ABC基因可能具有廣泛的表達(dá)，只是在單子葉和核心雙子葉中嚴(yán)格表達(dá)，是后期進(jìn)化出來(lái)的。睡蓮的ABC基因表達(dá)情況可能也解釋了萼片和花瓣沒(méi)有真正意義上的分化，與被子植物花的祖先相似。

睡蓮有花色和花香，研究人員推測(cè)了它們的合成途徑基因。通過(guò)比較自然變異的白色花瓣藍(lán)星睡蓮與藍(lán)色花瓣的轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)重要基因可能編碼藍(lán)色花瓣合成途徑關(guān)鍵酶。花青素合成通路末端生成的飛燕草素是賦予睡蓮藍(lán)色的主要原因。睡蓮的花香有11種不同的芳香成分，主要是萜類(lèi)和脂肪酸等，脂肪酸是睡蓮中特有成分，而在單雙子葉植物中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。合成倍半萜基因與單雙子葉中已知基因不一樣。通過(guò)基因表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)一個(gè)基因在花瓣中特于高表達(dá)，且這個(gè)基因所編碼的酶在酵母中具有催化脂肪酸的活性，推測(cè)其是脂肪酸合成酶。

花香成分及其合成基因進(jìn)化分析顯示，睡蓮與核心被子植物是平行進(jìn)化出花香。由于睡蓮獨(dú)特的進(jìn)化位置，其基因組展示了早期開(kāi)花植物的進(jìn)化特征。通過(guò)睡蓮基因組發(fā)現(xiàn)基因組加倍和花香的起源對(duì)被子植物的快速輻射具有重要性，揭示早期開(kāi)花植物的花器官發(fā)育可能不是嚴(yán)格受ABC基因調(diào)控。在園藝育種上，藍(lán)色花瓣的合成關(guān)鍵基因的發(fā)現(xiàn)可以作為培育藍(lán)色花瓣花卉的候選基因。

張亮生博士說(shuō)：由于睡蓮獨(dú)特的進(jìn)化位置，其基因組與轉(zhuǎn)錄組結(jié)果展示了早期被子植物的進(jìn)化特點(diǎn)和特征;同時(shí)解析了睡蓮的花器官發(fā)育和花香花色調(diào)控基因，對(duì)園藝植物分子育種等應(yīng)用具有重要參考價(jià)值。