云南省农科院联合浙江大学解析干花满天星基因组及干花形成的分子机制

满天星（Gypsophila paniculata）为石竹科石头花属多年生草本植物，因其花枝纤细、花小而多，犹如点点繁星，极富立体感，是全球十大切花种类之一。作为石头花属植物中唯一被用作切花的植物，满天星不仅被广泛用于鲜切花的配花材料，还大量用于染色干花，是三大干花花卉之一，具有较高的观赏价值和商业价值。云南是满天星的主产区，全国90%以上的满天星产于石林和宜良等滇东地区。满天星已经成为云南花卉产业中重要的干花种类，其种植面积超6500亩，年种苗需求2600万株以上，市场需求持续攀升。其中，玉溪云星生物技术有限公司培育的‘云星4号’（‘YX4’）具有花瓣数量多、花头饱满的优良表型，占据了60%的满天星市场份额，具有优良的商业价值。因此，培育具有高度重瓣表型的新品种是满天星育种的首要目标。

2022年8月，Horticulture Research在线发表了云南省农科院王继华院长团队与浙江大学张亮生课题组合作完成的题为The chromosome-level genome of Gypsophila paniculata reveals the molecular mechanism of floral development and ethylene insensitivity 的研究论文。

通过满天星野生型和重瓣商业品种花发育过程的转录组数据分析，研究团队发现满天星A功能基因（AP1、AP2、PET）在重瓣花中表达量比野生型高，而C功能基因AG在重瓣花中表达量较野生型低，特别是AGb基因在重瓣花中几乎不表达（图1）。通过进一步对萼片、花瓣、雄蕊、雌蕊中的ABCE基因表达进行定量分析，验证了C类基因在重瓣品种花瓣中的显著降低。同时，利用满天星EMS重瓣突变体，在C功能基因（AG基因）上鉴定了不同类型的基因突变。同时，在商业重瓣品种中也鉴定出多个AG基因的非同意突变，表明AG基因是调控满天星重瓣花形成的关键基因。此外，研究团队还在满天星重瓣商业品种中发现PETa基因miR172结合位点（GCAGCATCATCAGGATTC）出现G/C替换，这会导致miR172对PET基因抑制作用的降低，进而进一步抑制AG基因表达，形成花瓣更多更重的重瓣商业品种。研究认为，AG和PET基因共同参与调控满天星重瓣花的形成，这为满天星的分子设计育种提供了目标基因。

图1 满天星花发育ABC模型分析和MADS-box家族基因表达模式。

为了探究满天星成为干花的原因，团队对满天星乙烯生物合成和信号转导通路开展了深入研究。满天星基因组中，乙烯合成关键基因的数量与其他物种没有显著差异，但在乙烯受体基因（ERS）和乙烯响应因子（ERF）上存在着大量丢失，推测满天星成为干花的原因可能与其乙烯响应不敏感有关（图2）。通过满天星花发育过程中乙烯生物合成和信号转导关键基因的表达分析，发现乙烯受体ERS基因的表达量在不同花发育时期和不同组织中的表达均较低，导致其乙烯信号传导传下游的乙烯响应因子ERF基因均处于较低的表达水平，推测乙烯受体基因ERS的不表达和下游乙烯响应基因ERF的大量丢失可能导致其对乙烯不敏感，使得满天星有别于其他花卉成为三大干花之一。

图2 满天星乙烯生物合成和信号转导途径及其基因表达图。

云南省农业科学院花卉研究所李帆副研究员、金春莲博士、中国农业科学院深圳农业基因组研究所博士研究生高原、浙江大学博士后温小蕙为论文的第一作者，云南省农业科学院王继华院长和浙江大学张亮生教授为通讯作者，华中农业大学张帆教授团队和福建农林大学参与了该研究工作，云南省农业科学院花卉研究所为第一单位。此项工作是云南重要特色花卉基因组计划的研究之一，获得国家自然科学基金、云南省基础研究计划、云南省“兴滇英才支持计划”和中央高校基本科研业务费专项的共同资助。

作者团队介绍

云南省农业科学院王继华院长团队致力于云南重要特色花卉的遗传育种与产业应用。在云南省重大专项和重点研发计划（2019ZG006）的支持下，开展了云南重要特色花卉的基因组研究，为利用基因组学和基因编辑技术开展花卉分子设计育种提供理论支持。目前，已经对包括马缨杜鹃（Gigascience, 2017）、睡莲（Nature, 2020）、朱红大杜鹃（Plant Journal, 2021）、洋桔梗（Plant Biotechnology Journal, 2022）、满天星（Horticulture Research, 2022）、非洲菊、滇龙胆、滇丁香等15种云南重要特色花卉的基因组学开展了研究。

浙江大学张亮生教授课题组主要从事园艺作物（花卉）基因组学及优异基因资源挖掘和利用研究，聚焦花卉重要性状形成的关键基因挖掘和利用。已解析睡莲、油菜、杜鹃、洋桔梗基因组，挖掘了花色花香形成的关键基因；近五年来在Nature、Plant Biotechnology Journal 等高水平期刊上以通讯(含共同)或第一作者发表研究和综述论文16篇。

文章链接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhac176

转自：“园艺研究”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！