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華南植物園揭示翡翠葛稀有藍(lán)綠花色形成的基因密碼
花是植物最重要的生殖器官，也是進(jìn)化史上關(guān)鍵的創(chuàng)新性性狀。花色的多樣化不僅驅(qū)動(dòng)了植物與傳粉者的協(xié)同演化，也極大地豐富了地球的生物多樣性。然而在自然界中，藍(lán)綠色(turquoise)花色極為罕見。翡翠葛(Strongylodon macrobotrys A. Gray)，又名碧玉藤，是一種原產(chǎn)于熱帶雨林的豆科藤本植物。其翡翠般藍(lán)綠色的總狀花序色澤獨(dú)特，小花形態(tài)宛如展翅的小鳥，被譽(yù)為“植物界的翡翠珠寶”(圖1–2)。翡翠葛在華南國(guó)家植物園引種栽培已近二十年，是深受游客喜愛的珍稀觀賞花卉之一。由于其基因組高度復(fù)雜，這種獨(dú)特花色形成的分子機(jī)制長(zhǎng)期以來一直是未解之謎。
圖1.《Journal of Integrative Plant Biology》(JIPB)期刊封面(封面論文：翡翠葛基因組研究)
中國(guó)科學(xué)院華南植物園研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了翡翠葛高質(zhì)量的單倍型端粒到端粒(haplotype-resolved T2T)基因組，并整合轉(zhuǎn)錄組與代謝組數(shù)據(jù)，從基因組、代謝與轉(zhuǎn)錄調(diào)控層面系統(tǒng)解析了其獨(dú)特花色的形成機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，翡翠葛的藍(lán)綠花色并非由單一色素決定，而是源于花青素Malvin(malvidin-3,5-O-diglucoside)與類黃酮共色素Saponarin(Isovitexin-7-O-glucoside)的協(xié)同共著色作用(圖2F–J)。其中，Malvin屬于花青素代謝中偏藍(lán)色調(diào)的飛燕草素(delphinidin)分支，通常賦予花朵藍(lán)至藍(lán)紫色;本身淡黃色或近乎無色的Saponarin，則通過分子間互作增強(qiáng)并穩(wěn)定了Malvin的顯色效果。時(shí)間動(dòng)態(tài)分析進(jìn)一步顯示，在花發(fā)育衰老過程中，Malvin呈下降趨勢(shì)，而Saponarin持續(xù)積累。這種代謝組分“此消彼長(zhǎng)”的精確調(diào)控變化，共同塑造并維持了翡翠葛標(biāo)志性的藍(lán)綠表型。
結(jié)合群體歷史重建與多組學(xué)演化分析，研究還發(fā)現(xiàn)與環(huán)境變化相關(guān)的群體擴(kuò)張事件，以及LTR類轉(zhuǎn)座子爆發(fā)事件，可能參與花色相關(guān)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的重塑，從而提升了翡翠葛對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力(圖2E和K)。總體而言，該研究不僅揭示了自然界罕見藍(lán)綠色花的遺傳與代謝基礎(chǔ)，也為理解植物花色創(chuàng)新及其基因組動(dòng)態(tài)演化提供了全新視角。
圖2.翡翠葛藍(lán)綠色花序的形態(tài)特征及其基因組與代謝基礎(chǔ)。展示翡翠葛不同開花階段的花部形態(tài)、系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系、群體演化歷史和藍(lán)綠色花色相關(guān)的代謝與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
相關(guān)研究成果以“Haplotype-resolved telomere-to-telomere genome of the jade vine (Strongylodon macrobotrys) provides novel insights into the turquoise flower coloration”為題近日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Journal of Integrative Plant Biology(《植物學(xué)報(bào)(英文版)》)上。中國(guó)科學(xué)院華南植物園劉潼儉助理研究員、王新風(fēng)副研究員和史丁丁博士后為論文共同第一作者;寧祖林高級(jí)工程師、曾少華研究員和顏海飛研究員為共同通訊作者。葛學(xué)軍研究員、黃慧潤(rùn)副研究員、王志強(qiáng)博士等參與相關(guān)研究工作。侯興亮研究員、譚海波副研究員等在研究中給予了指導(dǎo)與幫助。研究得到了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究旗艦項(xiàng)目、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目及中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目資助。
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