项目文章 | 当樱花遇上科学,邂逅春日的浪漫,武汉市园科院带您揭秘樱花的起源、进化和花色变异

樱花是世界著名的木本观赏植物之一,由于其美丽的花朵、诱人的颜色和早春开花等特点而广受人们喜爱。它在世界各地广泛种植,特别是在我国和东亚地区的日本等国家。但是目前关于樱花的起源和进化的研究还不充分,尚有一些争议,关于樱花观赏性状的遗传及分子调控机理解析也十分有限。

2023年2月14日,武汉市园林科学研究院在读博士聂超仁高级工程师与北京林业大学园林学院吕英民教授、华中农业大学园艺林学学院汪念副教授等在植物学经典权威期刊The Plant Journal发表了题为Genome assembly, resequencing and genome-wide association analyses provide novel insights into the origin, evolution and flower colour variations of flowering cherry的研究论文。该论文结合基因组组装、重测序和全基因组关联分析为樱花的起源、进化和花色变异提供了新见解。

该研究第一作者为北京林业大学/武汉市园林科学研究院聂超仁博士,通讯作者为北京林业大学园林学院吕英民教授和华中农业大学园艺林学学院汪念副教授。同时丁昭全、夏文胜、孙宏兵、章晓琴、张思思、李娜,张英杰、王青华等还参加了本项研究。希望组为本研究提供基因组测序服务。

首先,研究者对P. campanulata ‘Plena’PCP)进行测序,一共获得76.42GbONT数据,N50和平均长度分别为30.3221.55Kb,以及29.72 GbIllumina数据,使用NextDenovo软件进行基因组组装(https://github.com/Nextomics/NextDenovo),初步基因组大小和N50分别为278.78Mb18.20Mb。在用NextPolish进行基因组校正后,最终的PCP基因组大小为280.20 Mb,由41contigs组成,N50大小为18.31 Mb。利用42.87 GbHi-C数据构建Hi-C热图(图1b),可以看到8个伪染色体中的每一个都有高强度的相互作用,该基因组的完整BUSCO率为98.70%(图1c)。

NextDenovo软件是由希望组自主研发的三代测序基因组组装工具,在极大减少计算资源和运行时间的情况下,仍然能够组装出高质量基因组,具有高纠错、高效组装、高准确度的优势,已帮助众多科研人员进行基因组的组装以及文章的发表。

Prunus campanulata‘Plena’ (PCP)的基因组组装

紧接着,研究者对收集到的312 个樱花种质(160 个品种、77 个 杂交F1 75 个野生个体)进行了重测序,获得了 761267 个高质量的基因组变异。通过分析这312 份种质的种群结构和遗传关系,该研究将这306份材料分为ABC三个进化枝。并根据系统发育分析,研究人员预测了樱花的两个起源。其中进化枝中的樱花起源于中国南方,例如喜马拉雅山脉或东南沿海山系,随后广泛种植或生长于华南、华中等区域。而另一分支则起源于中国东北,随后向南广泛种植于我国北方和东部区域形成B分支,同时另一支可能流向日本形成C分支。

2 312份樱花种质资源的群体分析

最后,研究人员对 312 份樱花种质进行了花色全基因组关联研究 (GWAS),共鉴定出七个数量性状基因座 (QTL),其中一个编码糖基化转移酶的基因被预测为一个QTL的候选基因。

3 312份樱花种质花色变异的全基因组关联研究

该研究结果提供了宝贵的樱花基因组资源,并对樱花的起源、进化和花色分子变异提供了新的见解。该研究的开展,为我国对樱花园林应用提供有力的理论支撑。

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