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Plant Physiol | 北京林业大学高宏波团队解析伊藤杂种牡丹的遗传构成

花匠小妙招
2024-11-25 14:29

牡丹和芍药是名贵的观赏和药用植物，具有重要的经济价值。牡丹是木本植物，在中国具有1500 多年的栽培历史。芍药是草本植物，在中国的历史更为悠久，约有4000年。牡丹和芍药同属芍药科芍药属。以牡丹作为父本，芍药作为母本之间进行远缘杂交产生的后代称为伊藤杂种牡丹（简称伊藤牡丹），其生长习性类似芍药，茎半木质化，冬天地上部分枯死，其叶型与牡丹相似（图1）。伊藤牡丹系列品种结合了芍药和牡丹的优良性状，花色丰富，长势旺盛，具有极高的观赏价值和市场潜力。然而，伊藤牡丹作为三倍体植物，其具体的遗传构成以及来自牡丹和芍药的亲本基因贡献比例一直没有被详细阐明。

图1. 芍药、牡丹以及伊藤杂种牡丹的叶片

近日，北京林业大学生物科学与技术学院高宏波教授课题组在国际著名的植物学期刊Plant Physiology上发表了题为“Molecular dissection of the parental contribution in Paeonia Itoh hybrids”的研究论文，对伊藤杂种牡丹（Paeonia Itoh hybrids）的遗传组成进行了较为深入的分析研究，阐明了牡丹和芍药在杂交形成伊藤牡丹的过程中两者的遗传贡献比例和构成。

课题组首先对伊藤牡丹系列中的著名品种‘芭茨拉’（Paeonia Itoh hybrid 'Bartzella'）进行基因组测序，并将其基因组数据比对到牡丹‘洛神晓春’和凤丹（P. ostii，通常被视为野生牡丹）的基因组上时，发现在基因组水平上，大量的单核苷酸多态性（SNP）位点显示出2:1的比例，少部分的SNP显示出1：1：1的比例（图2）。据此推测在杂交过程中，牡丹和芍药作为亲本，其中一个亲本贡献了两份基因。通过对SNP比例的统计，初步推断出牡丹是贡献两份基因的亲本。

图2. 伊藤杂种牡丹‘芭茨拉’基因组数据比对到凤丹的已组装基因组后显示具有2：1比例的SNP位点遍布整个基因组

课题组随后选取了四个保守基因MinD、ARC6、GUN5和EMB2754，在基因水平上通过PCR扩增和Sanger法DNA测序获取进一步证据。对17个芍药品种、21个牡丹品种以及32个伊藤牡丹品种的测序结果分析显示，这四个基因的测序峰图均出现了具有2:1峰高比例的SNP。通过分析碱基类型及其峰高占比，研究确认了在杂交过程中，牡丹作为父本贡献了两份基因，而芍药作为母本贡献了一份基因。值得注意的是，在MinD、GUN5和EMB2754基因的测序峰图中均发现了1:1:1比例的SNP，这表明牡丹贡献的两份基因存在差异。因为牡丹和牡丹之间的差异远低于牡丹和芍药之间的差异，这些1:1:1比例的SNP的数量远小于2:1比例的SNP数量。

课题组还利用了两对亲本和子代已知的伊藤牡丹杂交组合，对亲本和子代各品种中的四个基因进行了测序分析（图3），结果和上述结果一致。

图3. 两对亲本和子代已知的伊藤牡丹杂交组合的基因测序分析结果。此处仅显示分析的四个基因中MinD基因的测序结果峰图和SNP位点。

基于论文中的研究结果，作者提出了一个牡丹与芍药杂交形成伊藤杂种牡丹的遗传模型（图4）：在牡丹的减数分裂过程中，由于减数分裂Ⅰ期同源染色体未能正常分离，产生了含有两套异质性染色体的2n雄配子。该配子与芍药通过正常减数分裂产生的1n雌配子结合，形成了三倍体的伊藤杂种牡丹。两个杂交组合中亲本和子代的四个基因的测序结果（图3）也很好地验证了上述模型。

综上，该项工作通过基因组序列分析和特定基因的Sanger测序峰图分析，有效地揭示了伊藤牡丹的亲本贡献和遗传构成，为促进伊藤牡丹以及其他植物的三倍体遗传育种提供了新的研究方法和思路，有助于提高杂交育种的准确性和效率。