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兰州大学刘志鹏团队揭示两型箭筈豌豆地下荚果环境适应分子机制

花匠小妙招
2026-01-12 08:06

地上/下两型结实是被子植物一类比较独特的结实方式，与落花生属植物的单一地下结实不同，地上/下两型结实植物能同时在地上和地下产生果实。这种独特的结实方式被认为是植物抵御不利生物与非生物环境的一种防御策略，具有重要的生态适应意义。在被子植物中，有13科39个属存在地上/下两型结实现象，其中豆科植物占比最高。

两型箭筈豌豆（Vicia sativassp.amphicarpa）原产于地中海地区，是野豌豆属唯一的地上/下两型结实植物，能在地上和地下同时开花并产生荚果，是研究植物地上/地下结实的理想材料。此外，两型箭筈豌豆在干旱和高放牧压力的环境下表现出明显的生存优势，具有作为牧草和生态修复植物的潜力。因此，破解两型箭筈豌豆基因组为深入了解地上/下两型结实植物的进化、生态适应性以及其农业生产潜力奠定了理论基础。

图1两型箭筈豌豆的形态特征。(a) 全株。A: 地上荚果; B: 叶片; C: 地上茎; D: 地下荚果; E: 地下茎; F: 根。(b) 地上花。(c) 地下花。(d) 各发育时期的地上荚果。(e) 各发育时期的地下荚果。

近日，兰州大学刘志鹏教授课题组针对地上/下两型结实植物两型箭筈豌豆开展了创新性研究，相关研究成果以“The genome ofVicia sativassp.amphicarpaprovides insights into the role of terpenoids in antimicrobial resistance within subterranean fruits”为题在国际知名期刊The Plant Journal在线发表。

该研究对两型箭筈豌豆进行了全基因测序及组装，获得了大小为1.59 Gb的高质量基因组，并注释得到48,932个蛋白编码基因，长末端重复转座子（LTR-RTs）是驱动其基因组大小扩张的主要因素。比较基因组分析表明，两型箭筈豌豆与箭筈豌豆在0.88个百万年前发生分化，且在物种分化后未发生独立的全基因组复制事件。

图2两型箭筈豌豆的核型和基因组特征

该研究通过比较转录组和代谢组分析发现，地下荚皮的高抗菌活性与萜类代谢物的差异表达有关。构建了两型箭筈豌豆萜类物质生物合成通路，并在全基因组水平鉴定了萜类物质生物合成通路的相关基因，发现萜类合酶（TPS）基因VsTPS5和VsTPS16在地下荚皮中差异高表达。在烟草中过表达VsTPS5和VsTPS16并进行了进一步的代谢组分析验证，发现TPS基因能调控萜类物质生物合成以提高植物抗菌能力。

图3萜类物质生物合成通路

图4地下荚果抗菌基因功能验证

该研究利用报道的高质量两型箭筈豌豆基因组，结合转录组和代谢组分析，深入解析了其地下荚果抗菌的分子机制，为地上/下两型结实植物的适应性研究提供了理论基础。

作者和基金项目：兰州大学草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室、草地农业科技学院刘志鹏教授和方龙发青年研究员为通讯作者，博士研究生李明雨为论文第一作者。该研究得到草种业核心技术攻关项目（SJCZFY2022-2）、甘肃省首席科学家负责制项目（23ZDKA013）和国家草业技术创新中心（筹）重大创新平台建设专项课题（CCPTZX2023N04）的资助，以及兰州大学超算中心的计算支持。

致谢：感谢兰州大学杨勇志教授和任广朋教授、中国科学院西北高原生物研究所窦全文研究员和刘博博士、青海省三江集团副总经理牛建伟、国家草业技术创新中心(筹)王明玖教授对本研究的帮助和支持！

论文链接：

http://doi.org/10.1111/tpj.16939

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