杜鵑花屬馬銀花亞屬的馬銀花。王秀云供圖

“花中此物似西施，芙蓉芍藥皆嫫母”，白居易這首詩中描述的正是美艷不可方物的杜鵑花。作為我國十大傳統(tǒng)名花之一，杜鵑花極具觀賞價(jià)值，在國內(nèi)外更是享有“無鵑不成園”的美譽(yù)，園林應(yīng)用廣泛，受到世界多國的青睞。

然而，我國雖為杜鵑花野生資源大國，但對其研究起步較晚。近年來，國內(nèi)園藝科研工作者開始不斷探索，力爭在杜鵑花的世界舞臺上闖出一片天地。

近日，浙江大學(xué)園林研究所與中國科學(xué)院昆明植物研究所等單位合作，對杜鵑花屬馬銀花亞屬的馬銀花開展基因組測序，獲得了高質(zhì)量基因組，并且揭示了杜鵑花低海拔適應(yīng)性以及花香相關(guān)的合成通路與基因，對于高山植物馴化和花香育種具有重要的指導(dǎo)意義。相關(guān)成果發(fā)表于《植物生物技術(shù)雜志》。

高質(zhì)量基因組成為重要參考

杜鵑花又稱映山紅、滿山紅、山石榴，是杜鵑花科杜鵑花屬植物的總稱，種類繁多，是木本植物大屬。全世界杜鵑花逾1000種，分布于歐洲、亞洲和北美洲，尤以亞洲最多，有850種。

“原產(chǎn)于中國的就有500多種，尤其集中于云南、***和四川三省區(qū)的橫斷山脈一帶，是世界杜鵑花的發(fā)祥地和分布中心。”該論文第一作者、浙江大學(xué)園林研究所副研究員王秀云在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)介紹。

曾經(jīng)鮮有人問津的杜鵑花，在18世紀(jì)被西方來的“植物獵人”引種到了世界各地，杜鵑花開始進(jìn)入西方園林并逐漸占據(jù)重要地位。尤其在英國，從街頭小院、門廊到大小莊園，都有杜鵑花的身影，用整整一季的絢爛點(diǎn)綴了艷麗多彩的春天。

杜鵑花被譽(yù)為“花中西施”，近年來，在城鄉(xiāng)園林綠化、環(huán)境美化和盆栽觀賞等方面應(yīng)用廣泛，促進(jìn)了國內(nèi)杜鵑花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但仍長期存在著應(yīng)用品種單一的問題，國內(nèi)杜鵑花育種總體尚處于起步階段。

因此，充分地利用我國豐富的野生資源，摸清其遺傳背景就顯得十分重要。

“我們以杜鵑花屬馬銀花亞屬的代表種馬銀花作為測序材料，這是一種非常具有代表性的植物，對于開展杜鵑花的適應(yīng)性研究意義重大。”該論文通訊作者、浙江大學(xué)園林研究所教授夏宜平告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

馬銀花夏宜平供圖

雖然測序技術(shù)已經(jīng)飛速進(jìn)步，但馬銀花基因組組裝仍有一定的困難。“因?yàn)轳R銀花雜合率預(yù)估約1.55%，屬于高雜合基因組，我們對組裝的參數(shù)進(jìn)行了很長時(shí)間的摸索，在基因組注釋上下了大功夫。”該論文共同通訊作者、中國科學(xué)院昆明植物研究所研究員章成君在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示。

最終，克服重重困難，他們測序組裝獲得馬銀花高質(zhì)量基因組549Mb，contigN50為1.2Mb，染色體掛載率為99.05%，注釋到41264個(gè)基因，基因組注釋完整度達(dá)96%。

“這次獲得的基因組質(zhì)量非常高，是杜鵑花目中高質(zhì)量基因組之一。”夏宜平表示，為國內(nèi)外同類研究提供重要參考。

找到“下山”難的原因

杜鵑花屬大致可分為高海拔杜鵑和低海拔杜鵑兩大類，高海拔杜鵑種類占了85%左右，而老百姓平日里比較常見的是低海拔杜鵑。

“高海拔杜鵑開花很美，本應(yīng)有更大的發(fā)展空間，卻面臨著‘下山’難的困境，盡管已有前人開展相關(guān)研究，但目前還沒有把高海拔杜鵑移栽到低海拔地區(qū)的大規(guī)模成功案例。”夏宜平說，比如馬纓杜鵑就完全無法應(yīng)用到城市里，哪怕海拔2000米的昆明也栽種不了。

在城市綠化應(yīng)用中，杜鵑花是一種重要的裝飾資源，為豐富城市綠地系統(tǒng)生態(tài)多樣性起著重要作用。夏宜平指出，杜鵑花“耐熱”能力較差，隨著全球變暖，在城市種植過不了炎熱夏季，難以適應(yīng)低海拔氣候環(huán)境，嚴(yán)重制約了杜鵑花園林應(yīng)用的多樣性。

不僅如此，在夏宜平看來，杜鵑“耐寒”問題也要解決，很多低海拔杜鵑也去不了北方，比如春鵑、毛鵑等就無法在華北地區(qū)存活，而這些都是城市綠化中非常好的資源。

打破“界限”成了當(dāng)務(wù)之急。為了探索適應(yīng)性的分子機(jī)制，他們最先選擇了最典型的兩個(gè)代表：麂角杜鵑和馬銀花。后因麂角杜鵑變異度太高，而馬銀花性狀相對穩(wěn)定，最終團(tuán)隊(duì)確定馬銀花為研究對象。

“馬銀花亞屬屬于低海拔杜鵑花類群，但是卻在表型上與高海拔杜鵑有許多相似之處，比如擁有與高海拔類群相似的葉片革質(zhì)、常綠等特性，是非常好的研究材料。”王秀云說。

通過與已測序的高海拔馬纓杜鵑和圓葉杜鵑開展基因組比較分析，他們發(fā)現(xiàn)馬銀花擴(kuò)張的基因家族顯著富集到生物脅迫和非生物脅迫等多個(gè)逆境響應(yīng)通路，其中轉(zhuǎn)錄因子NAC基因家族擴(kuò)張可能對于馬銀花低海拔適應(yīng)性起到重要作用。

夏宜平補(bǔ)充道，而馬纓杜鵑和圓葉杜鵑等高海拔杜鵑因?yàn)闆]有這樣一個(gè)進(jìn)化過程，所以不能適應(yīng)低海拔的逆境。

另外，進(jìn)一步分析表明串聯(lián)復(fù)制是馬銀花逆境響應(yīng)基因擴(kuò)張的主要方式。

“這些發(fā)現(xiàn)對于高海拔杜鵑‘下山’馴化有指導(dǎo)意義，對杜鵑花城市應(yīng)用價(jià)值很大，也為其他的木本植物研究提供重要參考。”夏宜平說。

“香與不香”的秘密

杜鵑花以千姿百態(tài)、花色斑斕、種類繁多等優(yōu)點(diǎn)備受人們喜愛。不過，目前栽培的杜鵑幾乎都沒有花香，造成了這一重要觀賞性狀的缺失。

“而馬銀花亞屬多數(shù)種類具有花香，是研究杜鵑花香演化的良好材料。”章成君表示，通過對馬銀花香氣的成分進(jìn)行詳細(xì)分析表明，萜類物質(zhì)是其重要的花香成分。

馬銀花王秀云供圖

“萜類物質(zhì)是由萜類合酶（TPS）催化合成的，我們發(fā)現(xiàn)馬銀花TPS基因家族顯著擴(kuò)張，比其他杜鵑都要多，尤其是b類TPS具有較高的表達(dá)豐度。”王秀云介紹，他們測了兩個(gè)高表達(dá)的TPS,發(fā)現(xiàn)它們的合成物質(zhì)與馬銀花花香的兩個(gè)最主要合成物質(zhì)非常一致，表明這兩個(gè)基因是合成花香的關(guān)鍵基因。

這項(xiàng)成果還有一個(gè)亮點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，TPS-b并不是傳統(tǒng)認(rèn)為的單萜合酶，根據(jù)其定位不同，可以合成單萜或倍半萜。體外TPS-b酶活分析顯示，TPS-b既能以GPP為底物催化合成單萜，又能以FPP為底物合成倍半萜；但是體內(nèi)酶活測定顯示，定位于質(zhì)體的TPS-b主要合成單萜，定位于細(xì)胞質(zhì)的TPS-b主要合成倍半萜。

“而且，我們通過對不同杜鵑花的進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，相對于其他杜鵑花而言，馬銀花分化時(shí)間更早，但遺傳變異少，呈現(xiàn)出保守的進(jìn)化形式。”王秀云表示，這也證實(shí)了他們之前從形態(tài)學(xué)上得出的觀點(diǎn)。

杜鵑花TPS-b同源基因的進(jìn)化分析研究證明，杜鵑花香并不是馬銀花在與其他杜鵑分化后獲得的，而是其他杜鵑花在進(jìn)化過程中，可能由于TPS基因丟失或碎片化從而失去了花香。

“掌握了杜鵑產(chǎn)生花香的分子機(jī)制，我們就可以培育出有花香性狀的杜鵑，將來不僅是‘春色滿園關(guān)不住’，花香也關(guān)不住，香氣四溢的杜鵑會更符合中國人的審美意趣。”夏宜平表示。

在章成君看來，他們此次組裝的基因組基本達(dá)到了國際上的“金標(biāo)準(zhǔn)”。“有了這個(gè)高質(zhì)量基因組，為我們未來品種的鑒定、分子標(biāo)記輔助選種育種奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也可以更好地保護(hù)植物新品種的知識產(chǎn)權(quán)。”

“接下來，團(tuán)隊(duì)將開展定向育種研究，找到關(guān)鍵的‘耐熱’‘耐寒’調(diào)控基因，直接通過基因編輯的手段，培育出更具廣泛適應(yīng)性的杜鵑花，為杜鵑花在城市園林綠化中開辟更加廣闊的發(fā)展前景。”夏宜平說。

來源：中國科學(xué)報(bào)

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