高質(zhì)量紅花蠟梅基因組為木蘭類進(jìn)化及其花色形成機(jī)制研究提供了新見解
蠟梅（Chimonanthus praecox）隸屬于木蘭類蠟梅科蠟梅屬，因其獨(dú)特的花香和眾多的次生代謝產(chǎn)物而被廣泛用作觀賞植物和藥用植物，具有極高的觀賞價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和文化價(jià)值。依據(jù)內(nèi)被片顏色差異，蠟梅可分為素心、暈心與紅心品種。紅花蠟梅系首次選育的中被片為紅色的蠟梅品種類型，其遺傳背景及不同品種類型蠟梅花色差異的遺傳機(jī)制尚不清楚。此外，雖然已有多個(gè)木蘭類植物基因組發(fā)表，但基于這些參考基因組解析的木蘭類進(jìn)化地位卻彼此存在差異。因此，構(gòu)建高質(zhì)量的蠟梅基因組既可以研究木蘭類植物的進(jìn)化，也可解析其不同品種間花色差異的遺傳機(jī)制。
近日，河南省林科院、中南林業(yè)科技大學(xué)在國(guó)際著名期刊The Plant Journal 上發(fā)表了題為《 The red flower wintersweet genome provides insights into the evolution of magnoliids and the molecular mechanism for tepal color development 》的研究論文（封面論文），該研究通過PacBio+Hi-C技術(shù)構(gòu)建了高質(zhì)量的紅心蠟梅基因組，解析了木蘭類植物的進(jìn)化地位，并通過整合基因組、轉(zhuǎn)錄組和代謝組等多組學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)解析了不同品種蠟梅花色差異的遺傳機(jī)制，從而為蠟梅的進(jìn)化、品種選育與功能基因組學(xué)研究提供了新見解。
1. 基本分析
通過利用PacBio和Hi-C測(cè)序，研究者得到了染色體水平的蠟梅基因組，其基因組大小為737.03Mb，Contig N50=8.13Mb，BUSCO評(píng)估與三代數(shù)據(jù)比對(duì)證實(shí)了其基因組的完整性和準(zhǔn)確性。通過注釋，共獲得25832個(gè)蛋白編碼基因，重復(fù)序列占比63.26%。
2. 進(jìn)化分析
為充分解析木蘭類植物與單子葉和雙子葉植物間的進(jìn)化關(guān)系，研究者先通過25個(gè)基因組基于單拷貝序列進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)樹，隨后基于47個(gè)轉(zhuǎn)錄組、76個(gè)基因組共123個(gè)物種進(jìn)行構(gòu)樹，結(jié)果顯示，一個(gè)二叉樹或不能完全代表被子植物復(fù)雜的早期分化，但多數(shù)系統(tǒng)樹支持木蘭類植物是雙子葉植物的姐妹，這種系統(tǒng)全面的分析（考慮了LBA、ILS、分類單元等因素）為木蘭類植物進(jìn)化地位的歸屬提供了堅(jiān)實(shí)的證據(jù)。
3. 全基因組復(fù)制分析
通過共線性和Ks分析，研究者對(duì)蠟梅的WGD事件進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，蠟梅科植物有兩次WGD事件，其中較年輕的WGD事件是蠟梅科特有的。蠟梅科與樟科的共同祖先在經(jīng)歷了二倍化事件后，隨后分化為蠟梅科和樟科。
從整個(gè)木蘭類植物來看，木蘭目與樟目和胡椒目沒有共同的WGD事件，樟目的WGD事件與鵝掌楸的較為接近，但彼此獨(dú)立。此外，在分化后木蘭類植物經(jīng)歷了一個(gè)特定的WGD事件。
4. 蠟梅花色差異
為充分解析不同品種蠟梅花色差異的遺傳機(jī)制，研究者先通過代謝組確定了矢車菊苷是蠟梅紅色花被片的特征代謝物，接著聯(lián)合轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)矢車菊苷合成的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基因是CpANS1，但CpANS1啟動(dòng)子序列或翻譯氨基酸序列的差異并不是這三個(gè)品種花色差異的原因。
結(jié)合系統(tǒng)進(jìn)化樹和WGCNA分析，發(fā)現(xiàn) CpMYB1 可能是調(diào)控CpANS1基因的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子；素心蠟梅中CpMYB1移碼突變導(dǎo)致其調(diào)控功能缺失，進(jìn)而不能合成矢車菊苷，而CpMYB1的表達(dá)量決定了紅心與紅花蠟梅花被片的紅色。最后，研究者通過酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)和煙草過表達(dá)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了CpMYB1需要要形成MBW復(fù)合體才能充分發(fā)揮其對(duì)CpANS1基因的調(diào)控作用。
本研究通過構(gòu)建高質(zhì)量的蠟梅基因組，并結(jié)合多物種的系統(tǒng)進(jìn)化樹分析證實(shí)了木蘭類植物可能為雙子葉植物的姊妹群； 通過多組學(xué)分析證實(shí)了 CpMYB1 形成MBW復(fù)合體來調(diào)控 CpANS1 基因，進(jìn)而生成矢車菊苷，這是導(dǎo)致不同品種蠟梅花色差異的遺傳基礎(chǔ)。綜上，本研究為木蘭類植物的進(jìn)化和蠟梅的遺傳育種研究提供了新見解。
