单倍型解析中国月季基因组揭示重要观赏性状的遗传基础

近日，《分子园艺（Molecular Horticulture）》在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）武志强团队和华中农业大学园艺林学学院/果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室傅小鹏教授团队联合研究的论文，题为“Haplotype-resolved genome assembly of the diploid Rosa chinensis provides insight into the mechanisms underlying key ornamental traits”。该研究组装一个高质量、单倍型解析的中国月季古老品种“赤龙含珠”（Rosa chinensis 'Chilong Hanzhu'）基因组，并揭示重要观赏性状遗传改良位点，为加速月季的遗传改良提供基因资源和新的见解。

月季因其艳丽的色彩和浓郁的芳香而成为全球切花生产中最重要的观赏植物之一。通过种间杂交和种内杂交，从8到20份种质资源中培育出了近 35,000个杂交月季栽培品种，导致大多数月季栽培品种具有高度杂合性。这些育种亲本中，中国月季四大老种：“月月粉”（‘Old blush’）、“月月红”（‘Crimson China’）、“休氏粉晕香水月季”（‘Hume's Blush Tea-scented China’）和“帕氏淡黄香水月季”（‘Park's Yellow Tea-scented China’）贡献了重要的遗传信息。遗憾的是，迄今为止，已发表的月季基因组并未解析其单倍型基因组，导致部分重要的遗传信息的遗漏，尤其是杂合位点区域。这不利于解析月季重要观赏性状的分子机理，限制了月季的育种改良。因此，探究中国古老月季单倍型解析的基因组的遗传信息，有助于加速月季分子育种的步伐。

本研究结合二代、三代测序，组装了中国月季古老品种“赤龙含珠”（Rosa chinensis 'Chilong Hanzhu'）（2n=14，杂合度值为2.57%）的两个单倍型解析染色体基因组，该品种属于“月月红”（‘Crimson China’）系列，是月季育种史上重要的古老栽培品种之一。本研究鉴定了两个单倍型之间的变异（1,605,616个 单核苷酸多态性（SNP），209,575个插入缺失标记（indel））和表达模式。这些单倍型之间的差异将有助于分析月季重要性状的调控机制。

图 | 高杂合度“赤龙含珠”（Rosa chinensis 'Chilong Hanzhu'）单倍型基因组的遗传变异

此外，本研究发现与“赤龙含珠”相比，“月月粉”中萜烯类相关的基因家族发生了膨胀，这可能是“月月粉”花香主成分中，含有更多的萜烯类物质的重要因素。液相色谱-质谱联用仪分析发现红色和粉色花瓣中的花青素，其主要物质分别为：矢车菊素-3,5-葡萄糖苷（粉色花），矢车菊-3-葡萄糖苷（红色花）。而转基因实验证明 RcMYB114b 可作为花青素生物合成的激活因子，影响其花瓣中矢车菊-3-葡萄糖苷的积累，其等位基因启动子上存在多个indel和SNP变异，可能是影响启动子活性，控制花瓣颜色的主要因素。不仅如此，本研究还鉴定到RcANT1、RcDA1、RcAG1和RcSVP1等基因在高温处理下调控花瓣大小和数量的变化中发挥着重要作用。综上所述，中国月季单倍型基因组的解析和重要观赏性状候选基因的发现将为推动月季分子育种奠定坚实的研究基础。

图 | 月季红色及粉色花瓣的潜在花青素调节途径

图 | 高温处理下“赤龙含珠”（Rosa chinensis 'Chilong Hanzhu'）花瓣数量和大小的变化

中国农业科学院深圳农业基因组研究所出站博士后张晓妮（现为佛山鲲鹏现代农业研究院副研究员）、华中农业大学园艺林学学院/果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室博士研究生吴全淑为论文的共同第一作者，基因组所武志强研究员与华中农业大学园艺林学学院/果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室傅小鹏教授、Mohammed Bendahmane讲座教授为共同通讯作者。基因组所与莫道克大学联合培养博士生兰岚、硕士生彭丹、华中农业大学博士生关会林、基因组所科研助理罗凯晴以及华中农业大学包满珠教授也参与了本项工作。本研究得到国家重点研发计划（2019YFD1000403 & 2021YFD1200205-03），佛山鲲鹏现代农业研究院启动经费（KIMA-QD2022004）、佛山鲲鹏现代农业研究院重大科研任务资助（KIMA-ZDKY2022004），以及中国农业科学院青年英才计划的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s43897-024-00088-1