我國科學(xué)家獲得睡蓮基因組 揭示早期開花植物進(jìn)化特征

張亮生博士是中國園藝學(xué)會水生植物分會常務(wù)理事，曾獲得國家林業(yè)和草原局的梁希獎。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)。“之前說荷花與睡蓮屬于同一類型是誤解，只是它們在形態(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。

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。睡蓮除了常見花色類型外，還有藍(lán)色、紫色和各種嵌色系，花香類型亦豐富并且濃烈，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，通過系統(tǒng)發(fā)育組分析，顯示睡蓮和無油樟屬于早期被子植物類群，通過基因組和轉(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：睡蓮的ABC基因在各個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)化出來的。睡蓮的ABC基因表達(dá)情況可能也解釋了萼片和花瓣沒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，研究人員推測了它們的合成途徑基因。通過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)兩個重要基因可能編碼藍(lán)色花瓣合成途徑關(guān)鍵酶�；ㄇ嗨睾铣赏�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。通過基因表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)一個基因在花瓣中特于高表達(dá)，且這個基因所編碼的酶在酵母中具有催化脂肪酸的活性，推測其是脂肪酸合成酶。

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。由于睡蓮獨特的進(jìn)化位置，其基因組展示了早期開花植物的進(jìn)化特征。通過睡蓮基因組發(fā)現(xiàn)基因組加倍和花香的起源對被子植物的快速輻射具有重要性，揭示早期開花植物的花器官發(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：由于睡蓮獨特的進(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)化特點和特征；同時解析了睡蓮的花器官發(fā)育和花香花色調(diào)控基因，對園藝植物分子育種等應(yīng)用具有重要參考價值。