2018年4月27日，北京林業(yè)大學(xué)張啟翔教授領(lǐng)銜的國家花卉工程技術(shù)研究中心，與青島華大基因研究院、深圳華大生命科學(xué)研究院以及賓夕法尼亞州立大學(xué)等單位通力合作完成了首個(gè)梅花全基因組重測序研究，構(gòu)建完成了世界首張梅花全基因組變異圖譜，“梅花花部性狀的遺傳結(jié)構(gòu)”（The genetic architecture of floral traits in the woody plant Prunus mume）。研究論文在《自然通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表https://rdcu.be/MJwC。
梅花全基因組重測序的完成將為其分子標(biāo)記輔助育種的研究提供重要的理論框架，也將在應(yīng)用上為其花色、花型、株型等重要觀賞性狀基因的遺傳選育及品種改良提供重要平臺，對梅花重要觀賞性狀的遺傳解析具有里程碑的作用。
梅花（Prunus mume）為薔薇科李屬植物，我國是世界上重要的梅花起源和栽培中心，梅花在我國已有3000多年的栽培歷史，深受國人喜愛，居中國十大名花之首，有花魁之稱。其生物學(xué)特性最為可貴之處在于花期早，可在晚冬及早春時(shí)節(jié)開花。作為一種重要的觀賞植物，梅花花色繁多、花香濃郁、花型極美，與松、竹并稱“歲寒三友”，并被賦予了“堅(jiān)貞不屈”、“高雅脫俗”等精神特質(zhì)和文化表征，歷來頗受文人墨客推崇，留下諸多詠梅詩篇。此外，梅還有花梅與果梅之分，梅果還可加工成多種產(chǎn)品，極具營養(yǎng)價(jià)值。
鑒于梅花栽培品種經(jīng)過長期的人工馴化和自然授粉，其遺傳背景極為復(fù)雜，為了揭示梅花和李屬的演化歷史，開展梅花分子標(biāo)記輔助育種工作，揭示梅花重要觀賞性狀的遺傳機(jī)理，該項(xiàng)目選取333株梅花品種、15株野生梅花以及梅花的近緣物種山杏、山桃和李開展全基因組重測序研究，利用Illumina HiSeq 2000的測序平臺，平均測序深度19.3X，挖掘到534萬個(gè)SNP標(biāo)記（單核苷酸多態(tài)性標(biāo)記），極大地推動(dòng)了梅花群體遺傳學(xué)分析、全基因組關(guān)聯(lián)分析和李屬泛基因組研究的順利開展。
基于挖掘的SNP標(biāo)記，以梅花的近緣物種山杏、山桃和李為外類群，構(gòu)建了梅花品種的系統(tǒng)發(fā)育樹（圖1），共有16個(gè)亞群（P1-P16），從該亞群中選擇7個(gè)梅花品種和1個(gè)野生梅花，與梅花的近緣物種山桃、山杏、李進(jìn)行深度測序和基因組組裝，結(jié)合已經(jīng)發(fā)表的桃和梅花基因組，開展梅花和李屬的泛基因組學(xué)研究。通過對測序序列組裝，Contig N50平均為15.5Kb，Scaffold N50平均為22.6Kb，對組裝序列進(jìn)行注釋，梅花中有22499個(gè)核心基因，李屬中有19135個(gè)核心基因。在梅花基因組中有3364個(gè)特有基因，主要在類黃酮、苯丙烷類化合物、苯基丙胺酸等代謝通路中富集，與梅花花色、花香等重要的觀賞性狀形成相關(guān)。
▲348個(gè)梅花品種的系統(tǒng)發(fā)育樹和10個(gè)重要觀賞性狀
為了開展梅花分子標(biāo)記輔助育種的工作，基于挖掘的SNP標(biāo)記，對333株梅花品種的24個(gè)重要觀賞性狀進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，在梅花的4條染色體上分別鑒定了5個(gè)顯著的候選基因區(qū)域與花色、花萼顏色、柱頭顏色、花藥顏色、花瓣數(shù)、花徑、木質(zhì)部顏色和株型等10個(gè)性狀相關(guān)。為了檢測這些候選基因在表達(dá)水平的差異，對梅花品種‘烏羽玉’和‘米單綠’進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，有3277個(gè)顯著差異表達(dá)的基因。通過對轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的分析，在4號染色體的229Kb至5.57Mb之間，挖掘到了76個(gè)SNPs標(biāo)記與花瓣、花萼、花芽和柱頭顏色相關(guān)聯(lián)（圖2）。在4號染色體上，挖掘到了編碼R2R3 MYB轉(zhuǎn)錄因子的候選基因MYB108，通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析，該基因僅在‘烏羽玉’（花瓣為紅色）中有表達(dá)，在‘米單綠’（花瓣為白色）中沒有表達(dá)。利用String database數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了影響MYB108基因表達(dá)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)E2F1參與了MYB108基因表達(dá)的調(diào)控。本研究也發(fā)現(xiàn)MYB108基因上游的3個(gè)啟動(dòng)子區(qū)域中存在一個(gè)顯著的SNP標(biāo)記，影響該基因的表達(dá)?？傊?，MYB108基因在控制梅花花瓣的顏色中起著至關(guān)重要的作用，為揭示梅花花色的分子遺傳機(jī)理奠定基礎(chǔ)。通過構(gòu)建梅花遺傳圖譜，將控制垂枝性狀的候選基因定位在7號染色體的1.15Mb區(qū)域，結(jié)合梅花品種全基因組關(guān)聯(lián)分析，挖掘到了控制垂枝性狀的bHLH157和CYP78A9等13個(gè)與木質(zhì)素合成相關(guān)的候選基因，為開展垂枝性狀的分子遺傳學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。
▲梅花花瓣、花萼、柱頭和花芽顏色的全基因組關(guān)聯(lián)分析
“梅花花部性狀的遺傳結(jié)構(gòu)”項(xiàng)目首席專家張啟翔教授長期從事梅花等中國傳統(tǒng)名花的種質(zhì)資源和遺傳育種研究，是國家花卉工程技術(shù)研究中心主任，國家花卉產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長，國際園藝學(xué)會(huì)（ISHS）執(zhí)委、觀賞植物遺傳資源工作組主席、梅品種國際登錄權(quán)威專家，國際園藝生產(chǎn)者協(xié)會(huì)（AIPH）副主席，中國園藝學(xué)會(huì)副理事長、觀賞園藝專業(yè)委員會(huì)主任，中國花卉協(xié)會(huì)梅花蠟梅分會(huì)會(huì)長，“十二五”863現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域植物分子設(shè)計(jì)與品種創(chuàng)制技術(shù)主題專家、項(xiàng)目首席科學(xué)家，花卉種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室主任。張啟翔教授指出，“梅花全基因組重測序順利完成，是繼梅花全基因組研究工作后的又一重要突破，將有助于開展梅花株型、花色和花型等重要觀賞性狀的分子標(biāo)記輔助育種工作，有助于解析諸多重要性狀功能基因的遺傳機(jī)理，為梅花及相關(guān)種屬的分子育種奠定基礎(chǔ)；同時(shí)梅花全基因組重測序相關(guān)研究以及我們正在開展的其它后基因組學(xué)研究對于我國花卉的基礎(chǔ)研究進(jìn)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。”
項(xiàng)目主持單位國家花卉工程技術(shù)研究中心于2005年經(jīng)科技部批準(zhǔn)組建，依托單位北京林業(yè)大學(xué)，長期從事花卉種質(zhì)資源評價(jià)、新品種培育、高效繁殖、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、人居環(huán)境應(yīng)用方向的工程技術(shù)研發(fā)工作，建有北京市花卉研發(fā)創(chuàng)新示范基地、北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家花卉種質(zhì)資源庫、國家林業(yè)局花卉產(chǎn)品質(zhì)檢中心等研發(fā)平臺，牽頭組建起國家花卉產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟。主持完成“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“園藝作物安全高效生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”、“十二五”國家863計(jì)劃“林果花草分子育種與品種創(chuàng)制”項(xiàng)目，以及國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技支撐計(jì)劃、863計(jì)劃、國家林業(yè)公益性行業(yè)專項(xiàng)、北京市自然基金等國家和省部級課題100多項(xiàng)，培育并獲得美國、歐盟植物品種專利以及國家植物新品種保護(hù)權(quán)120余項(xiàng)，獲國家發(fā)明專利110余項(xiàng)，發(fā)表SCI論文200余篇，獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4項(xiàng)（均為完成單位）、省部科技獎(jiǎng)20余項(xiàng)，為國家花卉產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步做出重要貢獻(xiàn)。2012年，牽頭完成了梅花全基因組學(xué)研究，論文在《自然通訊》（Nature Communications）以亮點(diǎn)文章發(fā)表。 項(xiàng)目另一主要參與單位青島華大基因研究院在首個(gè)梅花基因組圖譜構(gòu)建項(xiàng)目即與北京林業(yè)大學(xué)合作。團(tuán)隊(duì)長期從事多組學(xué)和生物信息學(xué)相關(guān)研究，落地青島1年來，已在Nature、Science等高水平雜志發(fā)表文章18篇。青島華大依托深圳華大生命科學(xué)研究院和深圳國家基因庫，已建成全國領(lǐng)先的海洋基因庫平臺和跨組學(xué)研究中心，成為華大基因在我國北方科研的核心。