里程碑式成果！华大基因联合破译超大凤丹牡丹基因组遗传密码

近日,上海辰山植物园联合华大基因在国际著名期刊Nature Communications上发表了题为“Genomic basis of the giga-chromosomes and giga-genome of tree peony Paeonia ostii”(凤丹牡丹超大染色体及巨大基因组的遗传机制)的牡丹基因组学最新研究成果。

凤丹牡丹超大染色体及巨大基因组的遗传机制刊登在Nature Communications

该项研究成功破解了凤丹牡丹高质量染色体水平的基因组遗传密码及其超大染色体形成与维持的潜在分子机制。这是迄今世界上已经测序的陆地植物中最大染色体(1.78-2.56Gb),也是已测序双子叶植物中最大基因组(12.28Gb)之一。

此研究成果不仅将牡丹科学研究带入了真正的基因组时代,而且也开启了牡丹分子育种及优质特异基因鉴定和功能解析与产业利用的新纪元;是牡丹科学研究领域里程碑式的标志性成果,也是植物基因组学领域(巨大基因组和超大染色体研究)中最重要的突破性研究进展之一。

牡丹,被誉为花中之王,是中国特有的著名花卉之一,也是传统中药材和重要的新兴油用资源作物,具有极高的经济价值、文化价值和社会价值。在基因组科学飞速发展的当今,仍然缺少高质量的染色体水平牡丹基因组。牡丹基因组之复杂及破解难度之大,既在研究人员初始预料之中,但历经十年艰辛探索的周期之长却又极大的超出预料之外。

凤丹牡丹及其它芍药科植物还以其种子油而著称,其中富含不饱和脂肪酸,例如α-亚麻酸(ALA)。研究团队对448个种质进行了简化基因组测序和全基因组关联分析(GWAS),并结合了种子时序发育转录组等技术,研究揭示了牡丹种子高效积累不饱和脂肪酸的重要机制,即其虽然与大多数陆地植物同样保守的脂肪酸生物合成途径,但是在通路中的每个关键节点至少有一个高表达基因在行使功能,进而保障了牡丹ALA等的大量积累;本研究还进一步鉴定了(包括SAD和FAD2等)多个候选油脂合成基因,可能在其种子高水平的ALA合成中发挥重要作用。

GWAS揭示的牡丹高ALA合成相关的候选基因(SAD和FAD2)

本研究还系统解析了陆地植物中ALA合成关键环节(从亚油酸LA到α亚麻酸ALA)中FAD3和FAD7/8基因的进化历史,首次揭示了其在被子植物早期发生过一次基因复制事件及其重要意义。

同时,本研究进一步提出了牡丹花型发育的多样性模式假说,即在祖先亲本牡丹(P. ostii)的“花发育ABCE经典模型”(Strict ABCE Model)和栽培牡丹(P. suffruticosa)中的“不严格的花发育边界消退模型”(Unstrict ABCE Model),结合选择分析结果,提出了牡丹花发育模式转变的进化驱动力就是栽培牡丹千百年来的人工驯化过程。

这一研究发现,也极大丰富了植物花发育研究的进化模式,即人工选择可能会打破前人研究表明的种子植物中花发育器官基因渠道化的方向性进化模式。该结果不但挖掘了栽培牡丹花多样性的多个候选基因,为进一步培育更优质和更高观赏价值牡丹提供了理论依据和基因资源。

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