黄腾波教授团队解码鼓槌石斛基因组揭示石斛药用和观赏性…

　　

2021年9月1日，Horticulture Research (2020年影响因子：6.793，中科院一区TOP期刊)在线发表了深圳大学黄腾波课题组与福建农林大学刘仲健课题组题为“Chromosome-scale assembly of the Dendrobium chrysotoxum genome enhances the understanding of orchid evolution”的重要成果。该研究成果完成了高质量鼓槌石斛全基因组组装和比较基因组分析，揭示了鼓槌石斛药用成分、花发育、花色与开花时长、逆境耐受等分子调控机制，扩充了兰科植物性状的系统进化，同时为石斛的药用和园艺开发提供遗传基础。

石斛属是兰科第二大属，许多物种具有较高的药用价值和观赏价值，其药用成分主要存在于茎和花等器官。因此，研究其药用成分合成、代谢及调控机制，培育高药效新品种具有重要的产业和科研价值。鼓槌石斛是中国药典记载的富含多糖、石斛碱、石斛酚等的药用植物，具有解热、镇痛、降糖、抗氧化作用及增强免疫等功效，是要药用石斛广泛应用和栽培的主要物种之一。同时，鼓槌石斛呈金黄色花，花量大，具有非常高的观赏价值。但其花期较短，不利于药用花的采收的同时也缩短了观赏时间。因此，对鼓槌石斛进行全基因组测序，可为鼓槌石斛鼓槌状茎的形成、花的呈色、以及金黄色花与短花期关系、药用石斛功能基因挖掘、观赏性状开发与分子育种，甚至是整个兰科植物的进化提供新的见解。

图1. 鼓槌石斛开花植株

鼓槌石斛为二倍体，有38条染色体。Survey测序评估了鼓槌石斛基因组大小约为1.38 Gb，具有较高的杂合度，达1.84%。基因组大小为1.37 Gb，组装contig N50为1.54 Mb。研究发现鼓槌石斛基因组经历了两次多倍化事件，分别与单子叶植物共享和兰科植物共享，它自身没有独立发生WGD。在此基础上，应用Hi-C技术，将数据组装到19条染色体（单倍型）上，形成染色体水平的基因组。结果显示，19条染色体大小为38.28Mb到100.49Mb, scaffold N50为67.80Mb, 具有非常高的质量和完整度。鼓槌石斛基因组有30,044个编码蛋白基因，其基因长度比小兰屿蝴蝶兰、铁皮石斛、天麻以及大多数的被子植物长，结合已测序兰科物种，发现有较长的内含子是兰科物种的一个重要特征。鼓槌石斛有62.81%的重复序列，比小兰屿蝴蝶兰高但比铁皮石斛低。基因家族进化分析显示，兰科祖先起源与123Mya, 直至约80Mya发生亚科的分化。鼓槌石斛与铁皮石斛约在11Mya分化。而鼓槌石斛有较多基因家族发生了扩增，特别是SWEET基因家族，认为其与鼓槌石斛纺锤形肥厚茎积累药用多糖相关。

图2. 鼓槌石斛基因组染色体结构

图3. 鼓槌石斛系统发育关系树与分化时间

图4. 鼓槌石斛中类胡萝卜素、脱落酸、乙烯生物合成途径与基因调控互作机制模式图

本研究分析了鼓槌石斛与调控花部器官发育的MADS-box 基因的分子机制，揭示了鼓槌石斛的花被片呈金黄色类胡萝卜素的代谢通路，以及类胡萝卜素，ABA, 乙烯生物合成积累，叶黄素较少降解为ABA, 导致更多乙烯产生加速了花的衰老，这可能是鼓槌石斛花色金黄艳丽而开花时间短的原因。同时研究结果显示，鼓槌石斛的逆境胁迫耐受性与它的TPS和HSP90基因家族扩增有关。

图5.  鼓槌石斛中萜类合成酶基因家族TPS 与其表达模式

鼓槌石斛全基因组测序的完成进一步揭示鼓槌石斛及其他兰科植物的系统发育关系，为鼓槌石斛药用成分合成代谢分子机制、花发育和逆境相关分子机制提供了新的视角。研究成果有助于推动石斛新品种培育，为兰花产业发展提供分子生物学数据。

福建农林大学刘仲健教授、河北农业大学牛善策副教授和深圳大学黄腾波教授为该论文的通讯作者。深圳大学张永夏副教授为文章的第一作者，福建农林大学博士生章迪杨、孙维红和深圳兰科植物保护研究中心、中科院华南植物园、北京林业大学、武汉大众源生科技服务有限公司等单位的相关人员参与了本项目的研究。本研究得到了国家森林和草原局野生动物和森林植物保护司项目、广东省创新研究团队基金，国家自然科学基金资助项目，“广东特支计划”科技创新青年拔尖人才”，深圳孔雀基金，广东省科技计划项目，广东省林业局项目，河北省自然科学基金和河北农业大学人才专项的资助。

文章链接： https://doi.org/10.1038/s41438-021-00621-z