蜡梅（Chimonanthus praecox）隶属于木兰类蜡梅科蜡梅属，因其独特的花香和众多的次生代谢产物而被广泛用作观赏植物和药用植物，具有极高的观赏价值、经济价值和文化价值。依据内被片颜色差异，蜡梅可分为素心、晕心与红心品种。红花蜡梅系首次选育的中被片为红色的蜡梅品种类型，其遗传背景及不同品种类型蜡梅花色差异的遗传机制尚不清楚。此外，虽然已有多个木兰类植物基因组发表，但基于这些参考基因组解析的木兰类进化地位却彼此存在差异。因此，构建高质量的蜡梅基因组既可以研究木兰类植物的进化，也可解析其不同品种间花色差异的遗传机制。
近日，河南省林科院、中南林业科技大学在国际著名期刊The Plant Journal上发表了题为“The red flower wintersweet genome provides insights into the evolution of magnoliids and the molecular mechanism for tepal color development”的研究论文（封面论文），该研究通过PacBio+Hi-C技术构建了高质量的红心蜡梅基因组，解析了木兰类植物的进化地位，并通过整合基因组、转录组和代谢组等多组学数据系统解析了不同品种蜡梅花色差异的遗传机制，从而为蜡梅的进化、品种选育与功能基因组学研究提供了新见解。永利集团3044承担了本研究中基因组的测序与部分分析工作。
图1 文章发表信息
通过利用PacBio和Hi-C测序，研究者得到了染色体水平的蜡梅基因组，其基因组大小为737.03Mb，Contig N50=8.13Mb，BUSCO评估与三代数据比对证实了其基因组的完整性和准确性。通过注释，共获得25832个蛋白编码基因，重复序列占比63.26%。为充分解析木兰类植物与单子叶和双子叶植物间的进化关系，研究者先通过25个基因组基于单拷贝序列进行串联和并联构树，随后基于47个转录组、76个基因组共123个物种进行构树，结果显示，一个二叉树或不能完全代表被子植物复杂的早期分化，但多数系统树支持木兰类植物是双子叶植物的姐妹，这种系统全面的分析（考虑了LBA、ILS、分类单元等因素）为木兰类植物进化地位的归属提供了坚实的证据。
图2 蜡梅基因组特征及木兰类植物进化研究
通过共线性和Ks分析，研究者对蜡梅的WGD事件进行了研究。结果表明，蜡梅科植物有两次WGD事件，其中较年轻的WGD事件是蜡梅科特有的。蜡梅科与樟科的共同祖先在经历了二倍化事件后，随后分化为蜡梅科和樟科。从整个木兰类植物来看，木兰目与樟目和胡椒目没有共同的WGD事件，樟目的WGD事件与鹅掌楸的较为接近，但彼此独立。此外，在分化后木兰类植物经历了一个特定的WGD事件。
图3 蜡梅的WGD事件分析
为充分解析不同品种蜡梅花色差异的遗传机制，研究者先通过代谢组确定了矢车菊苷是蜡梅红色花被片的特征代谢物，接着联合转录组分析发现矢车菊苷合成的关键结构基因是CpANS1，但CpANS1启动子序列或翻译氨基酸序列的差异并不是这三个品种花色差异的原因；结合系统进化树和WGCNA分析，发现CpMYB1可能是调控CpANS1基因的关键转录因子；素心蜡梅中CpMYB1移码突变导致其调控功能缺失，进而不能合成矢车菊苷，而CpMYB1的表达量决定了红心与红花蜡梅花被片的红色。最后，研究者通过酵母双杂交实验和烟草过表达实验证实了CpMYB1需要要形成MBW复合体才能充分发挥其对CpANS1基因的调控作用。
图4 CpMYB1驱动的MBW复合体促进CpANS1基因的转录
本研究通过构建高质量的蜡梅基因组，并结合多物种的系统进化树分析证实了木兰类植物可能为双子叶植物的姊妹群；通过多组学分析证实了CpMYB1形成MBW复合体来调控CpANS1基因，进而生成矢车菊苷，这是导致不同品种蜡梅花色差异的遗传基础。综上，本研究为木兰类植物的进化和蜡梅的遗传育种研究提供了新见解。
此研究的共同第一作者为中南林科大博士生、河南省林科院沈植国，中南林科大博士生李文莹、李艳丽，共同通讯作者为中南林科大的张琳教授、袁德义教授和曹云鹏博士。此研究得到了河南省科技兴林和基本业务费、许昌英才计划等项目的支持。
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