中國科學報(2019-12-20)頭版:睡蓮為何能這般美

來源:中國科學報發布時間:2019-12-20作者:溫才妃創建部門:福建農林大學(新版)

睡蓮是古老的被子植物。被子植物又稱開花植物,是地球上最繁盛的類群,是日常生活中接觸最多的植物類群。開花植物在2億年產生30萬種并占領地球,其快速輻射吸引了許多科學家前來探究,并被達爾文認為是“惱人之謎”。

作為早期被子植物類群,睡蓮基因組和生物學特點對理解被子植物快速輻射,具有重要的意義。

12月19日,由福建農林大學教授張亮生主持,南京農業大學、比利時根特大學和美國賓州州立大學等多家單位參與的睡蓮基因組和早期開花植物進化研究在《自然》在線發表。

地球上最古老的開花植物類群

誰是地球上最古老的開花植物類群?

 目前有三種分支模式,第一種將無油樟放在被子植物最基部分支,第二種中睡蓮是最基部分支,第三種無油樟和睡蓮目是姐妹類群且同時屬于最基部。

盡管 2013 年美國科學家完成了無油樟基因組工作,但是并沒有解決其系統位置上的分歧。因此,睡蓮的基因組不僅能解決誰是現存最早的被子植物類群的問題,也為開花植物進化提供了研究資源。 

睡蓮目中藍星睡蓮基因組只有400M。藍星睡蓮是熱帶植物,在海南3至4個月就能完成整個生活史;此外,睡蓮種子多,一個果實里有幾千粒種子。這些特點都讓課題組認定藍星睡蓮是“十分理想的模式植物”。

“我們獲得了藍星睡蓮的高質量基因組,通過系統發育組分析顯示,睡蓮和無油樟屬于早期被子植物類群,支持無油樟是最早的被子植物類群?!睆埩辽a充,根據21顆化石的標定計算,所有被子植物的起源時間可以推算到2.3億至2.6億年前。而單雙子葉則分化于1.7億到2億年前。在睡蓮目中,睡蓮科與莼菜科在1.5億至1.9億年前分化,即睡蓮目至少起源于1.5億年前。

一次古老的基因組加倍事件

透過顯微鏡,張亮生等人發現了睡蓮的基因組奧秘。他告訴《中國科學報》,花的發育主要由MADS-box轉錄因子控制,其中花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊主要由MADS-box 轉錄因子中的AP1、AP3/PI、AG和SEP基因控制,這個模型簡稱ABCE模型。

ABC基因在單子葉和核心雙子葉中具有嚴格的表達模式,但他們在研究中發現,睡蓮ABC基因具有廣泛的表達情況。

“這說明早期開花植物的花器官發育不是嚴格受ABC基因調控?!蹦暇┺r林大學教師陳飛說,單子葉和核心雙子葉中嚴格表達,可能是后期進化出來的。睡蓮的ABC基因表達情況也解釋了萼片和花瓣沒有真正意義上的分化,與被子植物花的祖先相似。 

通過基因組分析和轉錄組數據比較,他們還發現,睡蓮科祖先發生了一次基因組加倍事件?!斑@對于了解睡蓮的起源、廣泛分布、多樣性都有很大的幫助,也借此加深了學界對多倍體的認識?!睆埩辽f。 

發生基因組加倍事件會帶來怎樣的影響?陳飛解釋,相比之下,無油樟與睡蓮分化之后,未經歷基因組加倍,沒有花香和顏色變化,而睡蓮經歷過基因組加倍,使其具有豐富的花色、花香而更像核心被子植物。

藍花、濃香惹人愛 

在園藝界中,勿忘我、二月蘭、風信子……數得上名字的藍色系花卉堪稱少有。藍色花卉的新品種選育,更是全球園藝育種工作者孜孜以求的花卉育種目標和研究重點。 

睡蓮的花色類型眾多,除了常見花色類型,還有藍色、紫色和各種嵌色系。藍星睡蓮有藍色花瓣,是研究和鑒定藍色花瓣中關鍵基因的好材料。課題組還獲得了藍星睡蓮自然條件變異種——白色藍星睡蓮,其花瓣是白色的。

“我們對二者進行比較分析,發現參與花青素合成途徑中有兩個基因在藍色花瓣中特異高表達,而在白色花瓣表達很低或不表達。這兩個基因剛好位于花青素合成途徑最后兩個環節,推測這兩個基因編碼蛋白是催化生成藍色花青素重要酶?!睆埩辽f。 

睡蓮花香濃郁、沁人心脾,是香料市場的寵兒。但少有人知其包含11種不同的芳香成分,當中主要是萜類和脂肪酸。課題組鑒定了一個在花瓣中高表達的脂肪酸合成酶同源基因,在體外檢測到其具有催化的活性,由此他們發現睡蓮的花香成分起源與其他被子植物是不一樣的,和單雙子葉是平行進化的。

“通過研究發現,睡蓮的花香是獨立起源的?!睆埩辽f,解析睡蓮的花香合成途徑、藍色花瓣合成關鍵基因,將為園藝植物分子遺傳育種提供重要的目標基因。

相關論文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1852-5 

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