区农科院联合华中农业大学首次高质量破译西藏特有植物大花黄牡丹的超大基因组

近日，西藏自治区农牧科学院蔬菜研究所曾秀丽研究员团队联合华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室焦文标教授团队以“High-quality assembly and methylome of a Tibetan wild tree peony genome (Paeonia ludlowii) reveal the evolution of giant genome architecture”为题在国际知名园艺期刊Horticulture Research上在线发表了西藏特有植物大花黄牡丹的基因组和甲基化组研究结果。研究人员首次成功构建了西藏野生大花黄牡丹（Paeonia ludlowii）基因组图谱，破译了其超大基因组的形成机制，并解析了大花黄牡丹的种子脂肪酸、花色和花香相关的代谢合成通路。

牡丹起源于中国，是中国最著名的观赏植物之一。大花黄牡丹（Paeonia ludlowii）仅原生分布于西藏林芝、山南海拔2900米左右，其生态位极其狭窄，为国家二级濒危植物，因其植株高大（成年植株高2米-3.5米）、叶大、种子大、花大、花色纯黄而闻名，是牡丹界极其珍贵的生态绿化、观赏和育种材料。尽管如此，受制于大花黄牡丹遗传背景的不清楚，国内外以大花黄牡丹为亲本的育种一直不能取得突破性进展。区农科院从2007年开始在区科学技术厅和区财政厅的资助下开展了16年的大花黄牡丹资源调查、驯化、繁育和远缘杂交，区农科院拉萨牡丹基地已获得大花黄牡丹、黄牡丹为亲本的各类杂交后代群体1000余株，稳定开花的100余个单株正在进行繁育和性状鉴定，但培育花色纯黄色、重瓣、植株高大的大花黄牡丹的目标尚未获得成功。

为了利用西藏特有野生植物资源加快基因组辅助育种培育具有大花黄牡丹亲缘关系的牡丹品种群，研究人员以拉萨牡丹基地驯化的半重瓣大花黄牡丹成功组装了第一个高质量野生牡丹基因组，该基因组总长度为11.3Gb，其中10.3Gb的序列挂载到了五条染色体上；大花黄牡丹基因组contigN50达到1.15Mb，分别是已经发表牡丹基因组的23倍和5倍。经过与凤丹基因组比较，大花黄牡丹中的特异性序列高达75%，这些序列差异可能会对芍药属内的物种杂交带来巨大挑战。基于高质量的基因组序列和注释信息，研究人员不仅对大花黄牡丹基因组进行了全面解析，还对大花黄牡丹的脂肪酸合成通路、花色和花香合成通路进行了分析。研究结果表明，大花黄牡丹没有经历额外的近期全基因组复制事件，由于近期转座子的大量扩增导致了超大基因组和超大染色体的形成，转座子的活性也导致了大花黄牡丹高水平的DNA甲基化景观现象；FAD（脂肪酸去饱和酶）基因家族的拷贝数扩增和差异，可能导致大花黄牡丹和凤丹种子不饱和脂肪酸含量的差异；与花青素合成相关的ANS（花青素合成酶），DFR（二氢黄酮醇4-还原酶）和UFGT（UDP-葡萄糖类黄酮3-O-葡糖基转移酶）基因在花瓣中低表达，与类黄酮合成相关的FLS（黄酮醇合酶）基因在花瓣中高表达，这种合成通路中关键基因的表达模式差异，使得大花黄牡丹的花朵呈现独特的黄色；大花黄牡丹中共鉴定到了75个TPS（萜烯合酶）基因，由于转座子的插入形成大量的TPS串联基因簇，这些候选的TPS基因为大花黄牡丹香气的形成提供参考。该研究初步揭示了大花黄牡丹特有的种子不饱和脂肪酸组成、以及花色花香的遗传结构为牡丹分子育种、生态绿化等研究奠定了理论基础。

华中农业大学博士研究生肖培轩和西藏自治区农牧科学院蔬菜研究所李媛蓉助理研究员为论文的共同第一作者，华中农业大学焦文标教授和西藏自治区农牧科学院蔬菜研究所曾秀丽研究员为论文共同通讯作者。西藏农科院助理研究员格桑平措、红英、赵凡，以及华中农业大学博士研究生鲁金、博士后左昊和徐强教授参与了本研究。该研究成果得到了国家自然科学基金（No. 32270685）、拉萨南北山绿化工程“经济林苗木培育专项（202375）和区科技厅中央地方科技创新项目“西藏高原物种空间搭载实验与研究”（XZ202301YD0037C）资助，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室的高性能计算平台提供了计算支持。