桂花香自何處來？未見轉基因育種的成功案例

桂花發生2 次全基因組複製事件的證據

桂花基因組在染色體水平上的高質量組裝

桂花是我國十大傳統名花之一，在我國有悠久的栽培歷史。儘管桂花品種繁多，但資源分散、良莠不齊，缺乏針對性的應用基礎研究和種質創新。

■本報記者 王方

「有木名丹桂，四時香馥馥。」桂花是我國十大傳統名花之一，在我國有悠久的栽培歷史，其四季常青、花香濃郁，集觀賞與保健功能於一體。桂花花香、花色等觀賞特性的形成機理以及抗性改良，一直是當今研究的熱點。

日前，南京林業大學教授王良桂領銜的研究團隊，首次在染色體水平破譯桂花的高質量基因組，並分析闡述「丹桂飄香」的分子機制，為桂花遺傳與育種研究提供了參考基因組資源。相關成果發表於國際園藝學科期刊《園藝研究》。

桂花基礎研究的突破

儘管桂花品種繁多，但資源分散、良莠不齊，缺乏針對性的應用基礎研究和種質創新。王良桂帶領的課題組在3年前就已啟動桂花基因組測序項目，但團隊首先面對的問題是桂花基因組具有雜合度高、難以準確組裝的特點。

「我們當時打算用2~3年的時間，先通過人工誘導獲得純合的桂花雙單倍體植株後，再開展桂花基因組的測序。在當時的技術背景下，這是獲得高質量桂花基因組最有效的方法。」王良桂接受《中國科學報》採訪時表示。

在這項研究中，他帶領團隊使用最新的單分子實時DNA測序技術，極大地提高了測序所獲序列的長度，完美地避免了桂花基因組雜合度高且後續基因組拼接準確性低的問題。

研究團隊還成功將桂花的基因定位在了23對染色體上，實現在染色體水平上的桂花高雜合基因組的高質量組裝，為桂花分子水平的研究提供良好的平台。

現有結果表明，桂花基因組雜合率為1.45%，大小為727Mb，共預測出基因45542個。該研究首次破譯了桂花高雜合基因組，BUSCOs評估基因組完整度達到96.1%，已基本接近擬南芥等模式植物的測序指標；系統闡釋了桂花基因組的2次加倍事件，結合轉錄組學和代謝組學分析了桂花花香形成的分子機理。

叢桂香生，香自何處？「我們首先使用GC-MS氣質聯用技術，對桂花香氣中的揮發性物質進行全面分析，然後通過轉錄組測序的手段對不同組織中表達的基因進行鑒定，最後將二者的結果進行關聯分析。」王良桂說。

結果發現，芳樟醇是導致桂花香味產生的重要芳香化合物，萜類合成酶基因TPS與該物質的形成緊密相關。在桂花基因組內，研究人員發現了5個具有花器官表達特異性的TPS基因。正是這類基因多成員的協同效應，催生了桂花獨特的芳香氣味。

為桂花遺傳改良提供參考

桂花集綠化、美化、香化於一體，屬觀賞和實用兼具的優良園林樹種。國家桂花種質資源庫，位於南京林業大學溧水白馬科研教學基地，正是王良桂團隊主持建成的。他們收集的桂花品種達133個，佔國內桂花品種總數的80%以上。

團隊還開展了桂花種質資源的相關研究，包括桂花花粉活力和柱頭可授性、花用（食用和提取精油）桂花優良品種的選擇、種質創新（種間雜交和輻射育種）以及雜種後代的SSR 鑒定等。

「桂花種質資源豐富，栽培歷史悠久，主要通過漸變、芽變、雜交等傳統的育種方式進行。目前還未見多倍體育種和轉基因育種的成功案例。」王良桂說道。

本次桂花基因組測序成果有助於桂花在花香、食用和觀賞特性方面定向育種工作的開展，為桂花重要次級代謝產物的商業化應用、分子設計育種的研究提供良好平台。

「桂花花朵香氣清新高雅、幽遠綿長，常被用作高級名貴的天然香料。」王良桂表示，花用桂花市場前景廣闊，關於桂花花朵香氣成分開發利用方面的研究已成為熱點。團隊集成創新了桂花資源綜合利用技術。

「通過團隊的科學研究，提升了桂花產品的科技含量和資源利用率。這些成果和技術在未來桂花產業化發展和利用中具有較好的應用前景。」王良桂說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41438-018-0108-0

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