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北京市农林科学院

花匠小妙招
2024-09-10 03:53

草业花卉所菊花和玫瑰研究室在菊花小花花色和花香分子调控机制等研究方向取得系列新进展，在Scientia Horticulturae（Q1/IF: 4.342）, International Journal of Molecular Sciences（Q1/IF: 6.208）, Frontiers in Plant Science（Q1/IF: 6.627）, Ornamental Plant Research期刊陆续发表5篇文章，相关研究成果获得授权发明专利2项。

解析了托桂型菊花管状花具有鲜艳颜色的分子机制

菊花的头状花是其主要观赏部位，大部分菊花的外轮舌状花具有鲜艳的颜色，而中间的管状花一般呈黄色或者无色半透明膜质，然而托桂型菊花的管状花具有和舌状花类似的鲜艳花色；我们对普通菊花的管状花和托桂型菊花的管状花进行了细胞形态观察，通过转录组和代谢组学测序，深入分析了两种管状花的色素成分差异以及花青素调控通路基因的表达差异；研究表明MYB3、MYB5、MYB6等转录因子的特异表达决定了托桂型菊花管状花中花青素的合成和积累，该研究初步解析了托桂型菊花管状花具有鲜艳花色的分子机制，为普通菊花管状花花色改良提供了重要的理论指导（图1）。相关研究以“Tranomic forbid metabolomic analyses reveal that MYB tranion factors regulate anthocyanin synthesis and accumulation in the disc florets of the anemone form of chrysanthemum morifolium”为题，发表于Scientia Horticulturae (Q1/IF: 4.342，全文链接：https://doi.org/10.1016/j.scienta.2021.110847)。草业花卉所的刘华博士和研究生陈海霞为论文并列第一作者，黄丛林研究员是论文通讯作者；该研究获得了国家自然科学基金、北京市农林科学院科研创新能力建设专项等项目的支持。

图1 菊花管状花花青素合成机制研究

揭示了我国特有野生濒危植物长裂太行菊的精油主效成分萜烯类物质的分子调控途径

我们广泛收集菊属及近缘种属芳香资源，通过远缘杂交等方法进行芳香新品种选育，同时进行菊花芳香精油提取和成分分析、精油功能验证及萜烯类芳香物质调控基因研究，筛选出了多个可以用于提取精油的野生种和品种，也自主培育了生长期长、生物量大的系列芳香菊花新品系。

太行菊属的长裂太行菊是中国特有的一种芳香植物，分布在河北太行山一代，耐干旱、瘠薄，全株芳香，具有重要的药用价值；然而目前长裂太行菊资源破坏严重，已经成为我国的濒危植物。我们对长裂太行菊的叶片和不同发育时期的花序进行了转录组和代谢组学研究，同时提取了长裂太行菊的精油、进行了成分组成和主效成分分析；研究结果表明长裂太行菊的叶片和花序都可以作为提取精油的原材料，其精油的主效成分为萜烯类芳香物质，萜烯类物质具有抗氧化、活血、镇痛、提高免疫力等重要功效；我们挖掘了长裂太行菊中萜烯类物质的合成基因、分析了其调控通路；该研究为长裂太行菊的资源保护开发、引种和育种奠定了重要的理论基础（图2）。相关研究以“Analysis of terpenoids forbid their gene regulatory networks on the basis of the tranome forbid metabolome of Opisthopappus longilobus”为题，发表于Frontiers in Plant Science (Q1/IF: 6.627，全文链接：https://doi.org/10.3389/fpls.2022.1015942)。刘华博士和研究生柴玉宏、陈海霞为论文并列第一作者，黄丛林研究员和河南科技学院的周秀梅教授是该论文共同通讯作者；该研究获得了现代农业产业技术体系北京市创新团队、北京市农林科学院科研创新能力建设专项等项目支持。

图2 长裂太行菊花发育不同时期组学研究及萜烯类芳香物质合成途径研究

分析了远缘杂交优系‘太行明珠’的叶片及不同发育时期的花芳香成分差异及其萜烯类物质的调控机制

‘太行明珠’是利用太行菊属和菊属的种质资源进行远缘杂交获得的芳香优系，该优系兼具菊属的易扦插繁殖和太行菊属全株芳香的特性；我们对‘太行明珠’的叶片和不同发育时期的花序进行了转录组和代谢组研究，分析了 ‘太行明珠’的叶片和不同发育时期的花序合成的芳香物质的差异，提取其精油并进行了成分分析，研究发现‘太行明珠’的叶片和花序都可以用来提取精油，其精油的主效成分是萜烯类物质，本研究挖掘出了‘太行明珠’的叶片和花序中萜烯类物质合成的调控基因及其调控网络，为菊属及太行菊属资源的芳香品种培育及萜烯类物质分子调控机制的研究提供了重要的理论依据（图3）。该研究以“Terpenoids forbid their gene regulatory networks in Opisthopappus taihangensis ‘Taihang Mingzhu’ as detected forbid tranome forbid metabolome analyses”为题，发表于Frontiers in Plant Science (Q1/IF: 6.627，全文链接：https://doi.org/10.3389/fpls.2022.1014114)。刘华博士和研究生陈文丹、柴玉宏为论文并列第一作者，黄丛林研究员、袁小环副研究员和北京林业大学王丰俊教授是该论文的共同通讯作者；该研究获得了现代农业产业技术体系北京市创新团队、北京市农林科学院科研创新能力建设专项等项目的支持。

图3 远缘杂交优系‘太行明珠’萜烯类芳香物质合成机制研究

对部分自主培育芳香品系及野生种进行了精油成分分析和功能研究

我们应用蒸馏法对自主培育的芳香优系：‘香金’、‘香韵’，传统菊花品种：‘辛集亳菊’、‘明皇菊’，菊属野生种甘菊，太行菊属的太行菊和长裂太行菊进行了精油提取和成分分析以及精油功效验证，发现太行菊和‘香韵’的精油提取率最高达到了2‰及以上，抑菌实验结果表明这些精油对大肠杆菌等具有良好的杀菌效果（图4）；该项研究以“Detection forbid analysis of the volatile components in the essential oils of Chrysanthemum forbid Opisthopappus species forbid their hybrid progeny”为题，发表于Ornamental Plant Research (全文链接：https://doi.org/10.48130/OPR-2022-0007)。刘华博士和研究生陈筱溪是该论文并列第一作者，黄丛林研究员、唐晓伟副研究员和四川农大的贾茵副教授为该论文共同通讯作者；该研究获得了北京市农林科学院科研创新能力建设专项等项目的支持。

图4 菊属和太行菊属芳香种质资源的精油成分分析及功能研究

通过远缘杂交选育出芳香菊花新品系、提取菊花精油进行产品研发获得发明专利授权

在芳香菊花新品种培育和芳香物质理论研究的基础上，我们也积极探索菊花精油的实践应用，研发了舒筋活血、消炎消肿的复方精油和护肤纯露，实现了从理论研究到实践应用的跨越（图5）；菊花精油相关研究成果申报发明专利6项，其中2项已经获得授权(刘华，黄丛林等：ZL202011010172.9; ZL202011007939.2)。

图5 芳香菊花新品系、菊花精油相关发明专利和产品

分析了CRISPR/Cas9基因编辑体系的原理、前沿技术与应用实践，为菊属及近缘属编辑编辑技术的建立与完善提供了理论参考

CRISPR/Cas9基因编辑技术的应用实现了对植物基因的精准编辑和对性状的有效调控，我们在菊花中也应用CRISPR/Cas9系统进行了基因编辑探索。为了更好的将CRISPR/Cas9基因编辑技术的应用到菊属及近缘属的研究中，我们对CRISPR/Cas9基因编辑技术的原理与最新技术前沿进行了分析，总结了可以应用于植物基因编辑领域的最新编辑工具和方法，并对该技术体系在植物研究领域的完善和发展提出了新的见解和建议，为CRISPR/Cas9基因编辑体系的应用和发展提供了参考（图6）；并以“CRISPR/Cas9 Technology forbid Its Utility for Crop Improvement”为题，发表于International Journal of Molecular Sciences (Q1/IF: 6.208，全文链接https://doi.org/10.3390/ijms231810442)。刘华博士是该论文第一作者，黄丛林研究员为该论文通讯作者，该研究获得了国家自然科学基金和北京市农林科学院科研创新能力建设专项等项目的支持。