赏菊须知

菊属植物种类繁多，又含多种栽培种，兼具观赏和药用价值，且染色体组结构从2n=18到8n=72之间，十分复杂，多年来难以攻破。

中药所所长陈士林研究员、副研究员宋驰博士等利用ONT平台解析了可能代表栽培菊属祖先基因组的二倍体菊花脑基因组，分析表明其演化受重复序列爆发和近期WGD事件的驱动，该基因组复制事件在约38.8个百万年前将菊属和向日葵分化开来；菊花脑观赏及药用性状的变异与包含旁系同源基因组复制事件的基因组家族扩张有关。

一、基因组组装和注释

提取菊花脑()DNA并在ONT平台生成总数据量105.2 Gb，经base calling后99.5Gb的数据被用于后续分析，同时采用二代数据进行序列校正及混合组装，最终获得24,051条contig序列，contigN50为130.7 kb，组装基因组大小2.53 Gb，覆盖了预估基因组的~82%。

研究利用来自不同组织的转录本来验证和构建基因模型，以此来预测菊花脑基因组中蛋白质编码基因的含量。除去非功能注释后，共有56,870个蛋白质编码基因组被发现。在菊科中，菊花脑的基因数量与向日葵（52,232）和加拿大莴苣（44,592）较为类似。对ncRNA基因的注释发现了2,076个tRNA基因、55个rRNA基因、1,504个snRNA基因及579 个microRNA基因。

针对其庞大基因组的结构组成进一步分析发现野菊基因组中69.6%被鉴定为重复序列，其中长末端重复反转录转座子最多,LTR/Copia占据基因组的25.4%,其次是LTR/Gypsy repeats (21.5%)。

二、比较基因组

1.赏菊图鉴之基因组进化及基因家族扩张

为了研究菊花基因家族与不同性状之间的关系，研究者比较了菊花脑与其他14种植物的基因组。利用这些植物的预测蛋白质组，共鉴定出由418,703个基因组成的39,414个同源基因家族，其中包括161,163个核心基因，隶属于15种植物中共有的5,278个基因家族，其中11,372个基因家族共存于4种菊科植物中(Fig.1)。

Fig.1 菊花脑与其他3种菊科植物的共有基因家族分析

研究发现菊花脑中拥有8,009个特异基因，隶属于1,939个基因家族。此外，基因家族进化分析表明，菊花脑中的1,965个基因家族发生了扩张，1,777个基因家族中发生了收缩（Fig.2）。对菊花脑中扩张的基因家族进行功能注释，发现这些基因功能集中在转移酶活性和萜烯合酶活性等方面，表明这些基因可能与次级代谢产物的生产有关。

Fig.2 15种植物的基因家族扩张与收缩情况

研究者进一步分析了菊花进化过程中的WGD事件，使用重复基因的Ks值计算复制事件的发生时间，并在~0.1处发现了一个峰，表明最近的WGD事件发生在大约580万年前（Fig.3）。

Fig.3 菊花脑与其他三种植物的同义代换率(Ks)的分布密度

三、关键基因

研究者还绘制出与重要生物学特征基础通路相关基因的完整编目并分析了和黄酮类化合物，注释了参与黄酮类化合物合成的基因，最后，更萜类生物合成相关基因的多样化。研究鉴定出了类萜合成酶（TS）基因和多个细胞色素P450依赖的加氧酶（CYP）基因，令人惊讶的是，除了那些已经在其他已测序的真双子叶植物中鉴定出的TS/CYP组合之外，研究者还在菊花中发现了新的组合，如TPS-a/CYP99和TPS-g/CYP79/CYP76等。

在菊花的进化历史上，发生了多次的全基因组复制事件，特别是在和近缘物种向日葵基因组分化之后，菊花在大约38.8百万年之前发生了一次物种特异的全基因组复制事件。研究发现，菊花基因组的近期复制时间可能直接导致了与花发育及重要药效成分合成相关基因的加倍，这些事件可能与菊花大量的种质多样性及药效成分多样性相关。这部分本项研究主要是针对花瓣对称性基因TCP转录因子、花型MADS-box转录因子、类胡萝卜素代谢途径（图3）、黄酮代谢相关转录因子、萜类合成酶及P450基因簇展开的。

图3. 野菊花型、花色研究

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