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世界首个梅花全基因组重测序研究完成

发表时间:(2018-05-07)

 

 

    4月27日,张启翔教授领衔的国家花卉工程技术研究中心,与青岛华大基因研究院、深圳华大生命科学研究院以及宾夕法尼亚州立大学等单位通力合作完成了首个梅花全基因组重测序研究,构建完成了世界首张梅花全基因组变异图谱,“梅花花部性状的遗传结构”(The genetic architecture of floral traits in the woody plant Prunus mume)研究论文在《自然通讯》(Nature Communications)在线发表,链接为:https://rdcu.be/MJwC

 

  梅花全基因组重测序的完成将为其分子标记辅助育种的研究提供重要的理论框架,也将在应用上为其花色、花型、株型等重要观赏性状基因的遗传选育及品种改良提供重要平台,对梅花重要观赏性状的遗传解析具有里程碑的作用。

 

  梅花(Prunus mume),蔷薇科李属植物,我国是世界上重要的梅花起源和栽培中心,在我国已有3000多年的栽培历史,深受国人喜爱,居中国十大名花之首,有花魁之称。其生物学特性最为可贵之处在于花期早,可在晚冬及早春时节开花。作为一种重要的观赏植物,梅花花色繁多、花香浓郁、花型极美,与松、竹并称 “岁寒三友”,并被赋予了“坚贞不屈”、“高雅脱俗”等精神特质和文化表征,历来颇受文人墨客推崇,留下诸多咏梅诗篇。习总书记在十九大中引用王冕的《墨梅》“不要人夸颜色好,只留清气满乾坤”形容中国人民高风亮节、坚韧不拔的民族精神。此外,梅还有花梅与果梅之分,梅果还可加工成多种产品,极具营养价值。

 

  鉴于梅花栽培品种经过长期的人工驯化和自然授粉,其遗传背景极为复杂,为了揭示梅花和李属的演化历史,开展梅花分子标记辅助育种工作,揭示梅花重要观赏性状的遗传机理,该项目选取333株梅花品种、15株野生梅花以及梅花的近缘物种山杏、山桃和李开展全基因组重测序研究,利用Illumina HiSeq 2000的测序平台,平均测序深度19.3X,挖掘到534万个SNP标记(单核苷酸多态性标记),极大地推动了梅花群体遗传学分析、全基因组关联分析和李属泛基因组研究的顺利开展。

 

  基于挖掘的SNP标记,以梅花的近缘物种山杏、山桃和李为外类群,构建了梅花品种的系统发育树(图1),共有16个亚群(P1-P16),从该亚群中选择7个梅花品种和1个野生梅花,与梅花的近缘物种山桃、山杏、李进行深度测序和基因组组装,结合已经发表的桃和梅花基因组,开展梅花和李属的泛基因组学研究。通过对测序序列组装,Contig N50平均为15.5Kb,Scaffold N50平均为22.6Kb,对组装序列进行注释,梅花中有22499个核心基因,李属中有19135个核心基因。在梅花基因组中有3364个特有基因,主要在类黄酮、苯丙烷类化合物、苯基丙胺酸等代谢通路中富集,与梅花花色、花香等重要的观赏性状形成相关。

  

 

图1 348个梅花品种的系统发育树和10个重要观赏性状

  

  为了开展梅花分子标记辅助育种的工作,基于挖掘的SNP标记,对333株梅花品种的24个重要观赏性状进行了全基因组关联分析,在梅花的4条染色体上分别鉴定了5个显著的候选基因区域与花色、花萼颜色、柱头颜色、花药颜色、花瓣数、花径、木质部颜色和株型等10个性状相关。为了检测这些候选基因在表达水平的差异,对梅花品种‘乌羽玉’和‘米单绿’进行转录组测序,有3277个显著差异表达的基因。通过对转录组数据的分析,在4号染色体的229Kb至5.57Mb之间,挖掘到了76个SNPs标记与花瓣、花萼、花芽和柱头颜色相关联(图2)。在4号染色体上,挖掘到了编码R2R3 MYB转录因子的候选基因MYB108,通过转录组数据分析,该基因仅在‘乌羽玉’(花瓣为红色)中有表达,在‘米单绿’(花瓣为白色)中没有表达。利用String database数据库,构建了影响MYB108基因表达的调控网络,发现E2F1参与了MYB108基因表达的调控。本研究也发现MYB108基因上游的3个启动子区域中存在一个显著的SNP标记,影响该基因的表达。总之,MYB108基因在控制梅花花瓣的颜色中起着至关重要的作用,为揭示梅花花色的分子遗传机理奠定基础。通过构建梅花遗传图谱,将控制垂枝性状的候选基因定位在7号染色体的1.15Mb区域,结合梅花品种全基因组关联分析,挖掘到了控制垂枝性状的bHLH157和CYP78A9等13个与木质素合成相关的候选基因,为开展垂枝性状的分子遗传学研究奠定基础。

 

 

图2 梅花花瓣、花萼、柱头和花芽颜色的全基因组关联分析

 

  “梅花花部性状的遗传结构”项目首席专家张启翔教授长期从事梅花等中国传统名花的种质资源和遗传育种研究。他指出,“梅花全基因组重测序顺利完成,是继梅花全基因组研究工作后的又一重要突破,将有助于开展梅花株型、花色和花型等重要观赏性状的分子标记辅助育种工作,有助于解析诸多重要性状功能基因的遗传机理,为梅花及相关种属的分子育种奠定基础;同时梅花全基因组重测序相关研究以及我们正在开展的其它后基因组学研究对于我国花卉的基础研究进展将产生深远的影响。”

 

  项目主持单位国家花卉工程技术研究中心于2005年经科技部批准组建,依托单位AG亚游,长期从事花卉种质资源评价、新品种培育、高效繁殖、标准化生产、人居环境应用方向的工程技术研发工作,建有AG亚游市花卉研发创新示范基地、AG亚游市重点实验室、国家花卉种质资源库、国家林业局花卉产品质检中心等研发平台,牵头组建起国家花卉产业技术创新战略联盟。主持完成“十一五”国家科技支撑计划重点项目“园艺作物安全高效生产关键技术研究与示范”、“十二五”国家863计划“林果花草分子育种与品种创制”项目,以及国家自然科学基金重点项目、科技支撑计划、863计划、国家林业公益性行业专项、AG亚游市自然基金等国家和省部级课题100多项,培育并获得美国、欧盟植物品种专利以及国家植物新品种保护权120余项,获国家发明专利110余项,发表SCI论文200余篇,获国家科技进步二等奖4项(均为第一完成单位)、省部科技奖20余项,为国家花卉产业发展和技术进步做出重要贡献。2012年,牵头完成了梅花全基因组学研究,论文在《自然通讯》(Nature Communications)以亮点文章发表。

 

  项目另一主要参与单位青岛华大基因研究院在首个梅花基因组图谱构建项目即与AG亚游合作。团队长期从事多组学和生物信息学相关研究,落地青岛一年来,已在Nature、Science等高水平杂志发表文章18篇。青岛华大依托深圳华大生命科学研究院和深圳国家基因库,已建成全国领先的海洋基因库平台和跨组学研究中心,成为华大基因在我国北方科研的核心。(A19)

来源:国家花卉工程技术研究中心          作者:国家花卉工程技术研究中心          浏览次数: