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晋鹏

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[交流] 【优秀文章推荐】北京林业大学通过梅花全基因组重测序揭示花性状的遗传结构已有2人参与

梅花全基因组重测序的完成将为其分子标记辅助育种的研究提供重要的理论框架，也将在应用上为其花色、花型、株型等重要观赏性状基因的遗传选育及品种改良提供重要平台，对梅花重要观赏性状的遗传解析具有里程碑的作用。梅花由于其良好的观赏特性而在中国驯化了数千年，并且其种植进一步扩大到整个东亚。梅的花朵具有多彩的花冠，各种花型，令人愉快的香气，以及低至-19°C2的温度容忍度。作为一种长寿的木本植物，许多在中国几个地方有几百年甚至几千年历史的梅树，为研究驯化的遗传过程提供了一套独特的材料。

梅花（Prunus mume）为蔷薇科李属植物，我国是世界上重要的梅花起源和栽培中心，梅花在我国已有3000多年的栽培历史，深受国人喜爱，居中国十大名花之首，有花魁之称。其生物学特性最为可贵之处在于花期早，可在晚冬及早春时节开花。作为一种重要的观赏植物，梅花花色繁多、花香浓郁、花型极美，与松、竹并称“岁寒三友”，并被赋予了“坚贞不屈”、“高雅脱俗”等精神特质和文化表征，历来颇受文人墨客推崇，留下诸多咏梅诗篇。此外，梅还有花梅与果梅之分，梅果还可加工成多种产品，极具营养价值。

鉴于梅花栽培品种经过长期的人工驯化和自然授粉，其遗传背景极为复杂，为了揭示梅花和李属的演化历史，开展梅花分子标记辅助育种工作，揭示梅花重要观赏性状的遗传机理，该项目选取333株梅花品种、15株野生梅花以及梅花的近缘物种山杏、山桃和李开展全基因组重测序研究，利用Illumina HiSeq 2000的测序平台，平均测序深度19.3X，挖掘到534万个SNP标记（单核苷酸多态性标记），极大地推动了梅花群体遗传学分析、全基因组关联分析和李属泛基因组研究的顺利开展。基于挖掘的SNP标记，以梅花的近缘物种山杏、山桃和李为外类群，构建了梅花品种的系统发育树（图1），共有16个亚群（P1-P16），从该亚群中选择7个梅花品种和1个野生梅花，与梅花的近缘物种山桃、山杏、李进行深度测序和基因组组装，结合已经发表的桃和梅花基因组，开展梅花和李属的泛基因组学研究。通过对测序序列组装，Contig N50平均为15.5Kb，Scaffold N50平均为22.6Kb，对组装序列进行注释，梅花中有22499个核心基因，李属中有19135个核心基因。在梅花基因组中有3364个特有基因，主要在类黄酮、苯丙烷类化合物、苯基丙胺酸等代谢通路中富集，与梅花花色、花香等重要的观赏性状形成相关。

为了开展梅花分子标记辅助育种的工作，基于挖掘的SNP标记，对333株梅花品种的24个重要观赏性状进行了全基因组关联分析，在梅花的4条染色体上分别鉴定了5个显著的候选基因区域与花色、花萼颜色、柱头颜色、花药颜色、花瓣数、花径、木质部颜色和株型等10个性状相关。为了检测这些候选基因在表达水平的差异，对梅花品种‘乌羽玉’和‘米单绿’进行转录组测序，有3277个显著差异表达的基因。通过对转录组数据的分析，在4号染色体的229Kb至5.57Mb之间，挖掘到了76个SNPs标记与花瓣、花萼、花芽和柱头颜色相关联（图2）。在4号染色体上，挖掘到了编码R2R3 MYB转录因子的候选基因MYB108，通过转录组数据分析，该基因仅在‘乌羽玉’（花瓣为红色）中有表达，在‘米单绿’（花瓣为白色）中没有表达。利用String database数据库，构建了影响MYB108基因表达的调控网络，发现E2F1参与了MYB108基因表达的调控。本研究也发现MYB108基因上游的3个启动子区域中存在一个显著的SNP标记，影响该基因的表达。总之，MYB108基因在控制梅花花瓣的颜色中起着至关重要的作用，为揭示梅花花色的分子遗传机理奠定基础。通过构建梅花遗传图谱，将控制垂枝性状的候选基因定位在7号染色体的1.15Mb区域，结合梅花品种全基因组关联分析，挖掘到了控制垂枝性状的bHLH157和CYP78A9等13个与木质素合成相关的候选基因，为开展垂枝性状的分子遗传学研究奠定基础。

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