PBJ | 中科院植物所石雷研究组绘制"香草皇后"杂薰衣草染色体级别精细基因组图谱,揭示物种分化及精油品质差异的分子机制

近日，中国科学院植物研究所石雷研究组在植物学知名期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“Decoupling subgenomes within hybrid lavandin provide new insights into speciation and monoterpenoid diversification of Lavandula”的研究论文，基于杂薰衣草两套亚基因组精细图谱，阐明了其杂交来源，揭示了其亲本狭叶薰衣草和宽叶薰衣草物种分化和精油品质差异的分子机制。

唇形科植物以富含多种芳香油著称，次生代谢产物丰富多样。多倍化和转座子插入与植物基因组变异和次生代谢产物多样密切相关，但其对于唇形科植物化学多样性的具体贡献，尤其是高值灌木中，仍然缺乏深入研究。

享有“香草皇后”美誉的薰衣草为唇形科薰衣草属多年生亚灌木，花朵浪漫芳香，从中提炼的精油富含多种单萜、倍半萜等挥发性活性成分，具有杀菌、抗炎、抗氧化等多种功效，经济价值较高。狭叶薰衣草（Lavandula angustifolia）、宽叶薰衣草（L. latifolia）和杂薰衣草（L. × intermedia），是商业上主要用于精油生产的薰衣草。培育优质高产的薰衣草新品种一直是国内外研究的热点。杂薰衣草株型高大、穗数量多、精油产量显著高于狭叶薰衣草和宽叶薰衣草，特别是适应性强、适宜种植区广，占世界薰衣草精油产量的85%以上，适宜在中国产业化推广。

中国科学院植物研究所石雷研究组通过绘制杂薰衣草染色体级别精细基因组图谱，综合解读了杂薰衣草的两套亚基因组（LX-LA和LX-LL）特征，从全基因组层面证明了其为狭叶薰衣草和宽叶薰衣草的杂交种。通过分析杂薰衣草两套亚基因组及亲本基因组，发现全基因组复制和转座子插入促使狭叶薰衣草和宽叶薰衣草从共同祖先分化，且对萜类合成基因的结构和表达产生了显著影响，是薰衣草属挥发性萜类多样化的主要驱动力。

高乙酸芳樟酯和乙酸薰衣草酯、低樟脑含量的薰衣草精油品质上乘。乙酸芳樟酯、乙酸薰衣草酯和樟脑是狭叶薰衣草和宽叶薰衣草精油中的主要标记化合物，狭叶薰衣草中乙酸芳樟酯和乙酸薰衣草酯占比高达47%，品质上乘，因此备受高端化妆品原料的青睐；宽叶薰衣草中几乎没有乙酸芳樟酯和乙酸薰衣草酯，花中的樟脑占比达20%，是狭叶薰衣草的5000倍之多，严重降低了其精油品质。杂薰衣草的精油品质介于两个亲本之间。近年来，杂薰衣草育种以提高精油品质为目标，因此解析薰衣草萜类差异形成机理至关重要。本研究运用比较基因组、等位基因特异表达、共线性推演、进化分析及假基因序列恢复等分析手段充分挖掘了催化乙酸芳樟酯和乙酸薰衣草酯合成的AAT基因和催化樟脑合成的BDH基因，重构了杂薰衣草两套亚基因组及亲本基因组中的AAT和BDH的演化历史，并利用原核基因表达进行了功能验证。结果表明，宽叶薰衣草和LX-LL亚基因组中能催化乙酸芳樟酯和乙酸薰衣草酯生成的AAT基因由于转座子插入及移码发生了假基因化或丢失，导致宽叶薰衣草中不能合成这两种单萜；串联复制和DNA型转座子插入保留的多个BDH拷贝导致宽叶薰衣草中更高的樟脑积累。本研究阐明了薰衣草乙酸芳樟酯、乙酸薰衣草酯和樟脑合成及近缘种精油品质差异的分子机制，为杂薰衣草品种优化、筛选以及分子育种奠定了基础。

中国科学院植物研究所李靖锐特别研究助理、李慧工程师和北京诺禾致源科技股份有限公司王一鸣为共同第一作者，中国科学院植物研究所石雷研究员和北京诺禾致源科技股份有限公司胡晓笛为共同通讯作者。中国科学院植物研究所金效华研究员参与了上述研究。该研究得到了中国科学院A类战略性先导科技专项“美丽中国”项目、国家自然科学基金、中国科学院特别研究助理项目和中国博士后基金的资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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