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花卉研究专题｜基因组多组学如何助力解析花香研究？

花匠小妙招
2024-10-26 00:17

国庆余温尚未散去，秋风已悄然而至，秋天虽然常常被金黄的落叶和丰收的果实所定义，但在这个季节的角落里，依然有花香在低语。然而，你是否曾想过，这醉人的花香背后，竟隐藏着一个庞大的基因组密码？当我们深入探寻花卉的基因组测序之谜，仿佛打开了一扇通往生命奥秘的大门。让我们一起揭开这层神秘的面纱，探寻花香与基因组测序之间那段不为人知的奇妙旅程。

1、大花香水月季T2T基因组分析阐明月季茶香的生物合成和释放机制

近日，Nature Communications在线发表了北京林业大学月季育种团队题为《Multi-omics analyzes of Rosa gigantea illuminate tea scent biosynthesis and release mechanisms》的研究文章。本文全面解析了中国古老月季大花香水月季T2T基因组，揭示了茶香的关键致香组分及其关键基因的合成调控网络，为茶香月季的保护和研究提供重要的遗传资源，为解析形成蔷薇属独特花香的遗传和变异机制奠定理论基础。

本研究利用Illumina、ONT和Hi-C多种组合测序方法构建了大花香水月季的T2T基因组，基因组大小为549.76 Mb，包含7条染色体。通过与蔷薇属其他物种进行比较基因组和系统发育分析发现物种间特异性基因家族种类多，结构变异类型多，发现了大花香水月季基因组的独特属性。研究通过感官评价和VOCs测定，确定了大花香水月季的主要香气成分。时序基因共表达网络分析发现，苯类/苯丙类挥发性有机化合物合成途径上的基因和有机挥发物对其浓郁甜香起主要调控作用。MYB和bHLH可能是调控丁香酚合成酶（EGS）和异丁香酚合成酶（IGS）合成进而影响花香的重要转录因子。研究从感官-花香成分-基因表达-同源基因数量和结构等多水平联合解析了大花香水月季与微香型”月月粉“之间的差异。进一步研究发现中国月季特有的”茶元素“ 3,5 -二甲氧基甲苯，仅在大花香水月季中高含量分布，而”月月粉“具有高含量结构类似物1,3,5-三甲氧基苯。

图1 月季花香驯化历史与展望

2、玫瑰基因组揭示玫瑰香味形成的分子机制

中国农业科学院蔬菜花卉研究所杨树华研究员等人在国际著名期刊Current Biology上在线发表了题为《Evolution of the biosynthetic pathways of terpene scent compounds in roses》的研究论文。利用比较基因组学、正反向遗传学、转录组学、代谢组学、分子生物学及生物信息学等技术，揭示了月季、玫瑰等蔷薇属植物花香萜烯化合物丰富的潜在分子机理，同时系统解析了玫瑰特征性香气成分玫瑰醇合成通路及和其在蔷薇属合成演化历程。

本研究利用Illumina、PacBio和Hi-C多种组合测序方法首次组装了Rosa rugosa (880.16Mb) 和 Rosa multiflora (930.89Mb)两个高质量的染色体水平基因组。同时还对Rosa chinensis和Rosa wichuraiana的F1后代的132个个体及其36个相关物种进行了重测序。比较基因组学显示，玫瑰含有三个关键基因（HMGR，TPS和NUDX1-1a）的基因家族的扩增导致玫瑰香味成分中萜烯的富集。该研究构建了萜烯生物合成网络，通过基因功能鉴定、全基因组关联研究（GWASs）和多组学分析等方法，发现了玫瑰中萜烯生物合成网络，发现了TPS依赖性的香茅醇生物合成途径。此外，基因组学和代谢组学分析表明，NUDX1-1a的拷贝数决定了不同玫瑰品种中的香茅醇含量。

图2 花挥发性萜类化合物与RR和RM基因组的比较分析

3、单瓣茉莉花基因组组装及茉莉花香气形成调控机制研究

福建农林大学郭玉琼教授/林玉玲教授团队在著名期刊Horticultural Plant Journal上在线发表了题为《The chromosome-scale genome assembly of Jasminum sambac var. unifoliatum provides insights into the formation of floral fragrance》的研究论文。本研究组装了单瓣茉莉花染色体水平的高质量参考基因组。结合转录组学，研究不同发育阶段以及采后开放过程中茉莉花香气合成的转录调控机制。

本研究利用Illumina、PacBio和Hi-C多种组合测序方法组装了单瓣茉莉花基因组，基因组大小为495.60Mb。研究者对五个不同发育时期茉莉花以及采后茉莉花开放过程样进行转录组测序，结果发现茉莉花开放阶段，萜类代谢途径、苯丙烷类代谢途径、邻氨基苯甲酸甲酯以及吲哚合成相关结构基因表达量显著上升，这可能是茉莉花香气形成的直接原因。此外，从茉莉花基因组中鉴定到了81个β-葡萄糖苷酶基因，其中11个基因的表达量在开放的茉莉花中显著上升，提示茉莉花香气的形成可能是糖苷结合挥发物的水解及相关香气组分的从头合成的共同作用。

图3 茉莉花基因组组装结果概览

·总结·

通过全基因组测序技术，我们得以解码各类花卉的遗传密码，揭示其基因组的奥秘。结合转录组学分析，从基因组水平及转录水平系统研究花卉香气相关基因的功能及调控机理。这些成果不仅为未来通过现代分子生物学手段优化花卉香气物质的组成比例，提升香气利用效率奠定了理论基石，也为花卉品种改良和香气品质的提升开辟了新的路径。

关于菲沙

菲沙基因基于HiFi+Hi-C测序，累计构建了数百种花卉的高质量参考基因组，同时结合ATAC+转录组深入解析了数百种花卉花色花香相关的调控机制，并构建多种花卉的多组学数据库，研究成果先后发表在CNS及其子刊。花卉多组学研究，菲沙更专业！