基因组所解析新兴花卉姜荷花高质量基因组及其重要性状遗传机制

近日，基因组所武志强课题组在《生物技术通报（aBIOTECH）》上发表了题为"The genomic and bulked segregant analysis of Curcuma alismatifolia revealed its diverse bract pigmentation " (点击题目查看原文) 的文章，对热门新兴花卉姜荷花的栽培品种“清迈粉”高质量参考基因组进行解码，并鉴定到调控姜荷花苞片颜色形成的关键基因，为解析姜荷花重要观赏性状的遗传机理提供了坚实的理论基础。

姜荷花（Curcuma alismatifolia Gagnep.）又称“热带郁金香”（Summer tulip）、“暹罗郁金香”（Siam tulip），是姜科姜黄属的新兴热门切花，具有重要的药用、观赏价值和市场应用潜力。姜荷花的花序形状独特，苞片颜色丰富多样，极具观赏性，在中国和东南亚地区深受消费者喜爱。同时，姜荷花的花期长，可以从5月一直开放到11月份，在夏季切花市场淡季具有独特的优势。目前，关于姜荷花的研究主要集中在栽培、育种、种球贮藏及其采后保鲜和分子标记开发等方面。姜荷花品种主要来源于国外引种，国内自主选育的姜荷花品种极少，而随着姜荷花市场的发展，品种的培育成为了制约姜荷花产业发展的瓶颈之一。作为姜荷花最重要的观赏性状，苞片颜色受到育种家和研究者越来越多的关注，因此，解析姜荷花苞片颜色形成的机制，将为这种新的观赏花卉的开发提供理论参考，同时为姜荷花精准高效的分子设计育种奠定基础。

研究人员利用三代HiFi、二代MGI和Hi-C数据，对姜荷花栽培品种“清迈粉”进行了全基因组测序和组装。姜荷花的基因组全长为994.07 Mb，重复序列占75.84%，共注释到57,534个基因，Scaffold N50为57.51 Mb。研究发现姜荷花与姜科植物姜大约在1,190万年前发生了分化，并经历了一次姜科共有的全基因组加倍事件。此外，姜荷花不同类别重复基因具有不同的进化命运，其中串联重复（TD）、近端重复（PD）和分散重复（DSD）基因对的Ka/Ks比其他两种重复基因类型（转座重复（TRD）、全基因组重复（WGD））的Ka/Ks高，而Ks值较小，即姜荷花这3类重复基因的序列分化比WGD和TRD基因快，受到了更强的正选择。且这3类重复基因富集在单萜生物合成和类黄酮生物合成通路，暗示这些基因复制事件可能与姜荷花物种形成有关。

图1 | 姜荷花基因组

相比姜黄属其他物种，姜荷花的苞片颜色组成更为复杂，同一株苞片常常具有不同的形态和颜色，以‘清迈粉’姜荷花为例，通常其上部苞叶为粉红色阔卵形不育苞片，下部为蜂窝状绿色可育苞片。同时，大多数姜荷花品种的不育苞片尖端还存在叶绿素沉着的绿尖现象，因此其苞片颜色形成的背后机制极为复杂。研究人员利用清迈粉和具有纯白不育苞片的品种“乡村雪”的不同组织部位和发育时期进行转录组测序，确定了姜荷花产生不同颜色苞片的关键基因，如调控花青素合成的F3'5'H、DFR、ANS和相应的转录因子MYB和bHLH，以及与苞片叶绿素合成相关的chlH和CAO基因。同时通过集团分离分析法（BSA）定位到同样的F3'5'H基因，并结合姜荷花群体结构分析，发现姜荷花苞片颜色性状在群体水平发生分化，其可育苞片和不育苞片的形态和颜色在不同品种间差异巨大，部分品种具有形状相似的上下部苞片，其上下部苞片颜色也相似，而上下部苞片形态明显区别的品种颜色性状也存在差异。这项工作为了解姜荷花苞片颜色形成的机制打下了基础，并对培育具有丰富苞片颜色的姜荷花新品种起到重要的促进作用。

图2 | 姜荷花花青素和叶绿素生物合成途径基因

基因组所武志强研究员和广东省农业科学院环境园艺研究所朱根发所长为论文的通讯作者。博士生廖雪竹、叶远俊博士和张晓妮博士为论文的共同第一作者。该研究得到了农科院青年英才计划的经费支持。

原文链接：https://rd.springer.com/article/10.1007/s42994-022-00081-6

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