张亮生教授团队在nature上发表睡莲基因组和早期开花植物进化研究成果

来源：植物科学最前沿

原标题：​福建农林大学张亮生教授团队在nature上发表睡莲基因组和早期开花植物进化研究成果

开花植物又叫被子植物，日常生活中吃的粮食以及水果和各种经济作物都属于开花植物。开花植物的种类大概有30多万种，而其它的绿色植物加起来总共仅有4万多种，也就是说开花植物的物种数量占有地球绿色植物的90%以上。开花植物在2亿年前起源并快速辐射扩张到30多万种并占领地球，而其兄弟裸子植物起源至少3亿年前却只有800余种。被子植物的快速辐射现象吸引了许多科学家的注意，被称为“达尔文恼人之谜（Darwin’s abominable mystery）”。开花植物主要有真双子叶、单子叶以及木兰类和早期开花植物类群。早期开花植物类群有无油樟目、睡莲目以及木兰藤目。睡莲作为早期被子植物类群，其基因组和生物学特点是理解被子植物起源和快速辐射的关键一环，具有重要的进化地位和基础研究价值。

睡莲是最重要的观赏花卉之一，具有重要的经济和文化价值。 睡莲从东北至云南，西至新疆皆有分布；在植物园、公园、小区的水体里都有种植。睡莲和荷花是全世界非常重要的水生观赏花卉。荷花属于真双子叶，与睡莲亲缘关系距离很远，之前认为它们属于同一类型是误解，只是它们在形态上有很多相似之处。睡莲有50多种原生种，而荷花只有两种，睡莲具有更强的适应性和更为广泛的分布。荷花的花色具有黄、红、白三种主色，睡莲则具有更加丰富的花色，包括了黄、红、白、蓝、紫和各种嵌色系。近20年通过杂交技术培育了大量的睡莲品种，围绕睡莲花开发出了睡莲茶和香水等产品。在文化上，莫奈的睡莲油画非常有名，是印象派画作的代表作；睡莲图案在众多国家国徽、国旗、钱币、邮票上也有出现。

2019年12月19日，我校张亮生教授团队在Nature上在线发表了题为《睡莲基因组和早期开花植物进化》（The water lily genome and the early evolution of flowering plants）的长篇论文。

该研究获得了蓝星睡莲的高质量基因组，通过系统发育组分析显示睡莲和无油樟属于早期分化的被子植物类群，支持无油樟是最早分化出的被子植物类群。通过基因组和转录组分析，睡莲科祖先发生了一次基因组加倍事件，这个事件可能在睡莲目祖先发生的。

睡莲的ABC基因在各个花器官中具有广泛的表达谱，而ABC基因在单子叶和核心双子叶中具有严格的表达模式，表明早期被子植物的ABC基因可能具有广泛的表达，在单子叶和核心双子叶中严格表达可能是它们在后期进化出来的。睡莲的ABC基因表达情况可能也解释了萼片和花瓣没有真正意义上的分化，与被子植物花的祖先相似。

睡莲具有花色和花香，该研究推测了它们的合成途径基因。通过比较自然变异的蓝星睡莲的白色花瓣与蓝色花瓣的转录组，发现两个重要基因编码蓝色花瓣合成途径关键酶。睡莲的花香有11种成分主要是萜类和脂肪酸等，其中合成倍半萜基因与单双子叶中已知基因不一样，并鉴定出脂肪酸合成关键酶。

该研究有两个方面的重要成果:一是由于睡莲独特的进化位置，其基因组与转录组结果展示了早期被子植物的进化特点和特征，对揭示被子植物起源和进化具有重大意义。二是睡莲具有花香和蓝色花瓣，该研究解析了花香合成途径以及蓝色花瓣合成关键基因，为园艺植物分子遗传育种提供了重要的目标基因。

基因组专家表示“睡莲是被子植物（开花植物）起源和进化过程中重要节点。张亮生团队基于睡莲基因组数据分析确定了无油樟和睡莲的进化位置，确定了睡莲祖先发生过多倍化，并且通过睡莲基因组研究其花器官发育ABCE模型以及花色花香的合成途径揭示了早期被子植物的一些进化特征。特别是发现睡莲基因组多倍化对睡莲的起源和广泛分布有贡献，加深了我们对多倍化的认识。该研究是被子植物演化研究的一个重要标志性工作。”

园艺植物专家表示“该研究在睡莲基因组及花色、花香等重要观赏性状分子机制方面取得的新突破，对我国观赏园艺领域物种起源演化及重要性状的基础研究具有重要的推动作用，为其他园艺作物复杂基因组解析提供了借鉴。”

据悉，福建农林大学张亮生教授是该论文的第一作者和唯一通讯作者，福建农林大学是第一作者单位和通讯作者单位。共同第一作者有南京农业大学陈飞，福建农林大学张兴坦，比利时根特大学Zhen Li，复旦大学赵义勇等。张亮生教授，南京农业大学陈飞博士和陈峰教授，根特大学Yves Van de Peer教授，美国宾州州立大学马红教授，福建农林大学唐海宝教授是共同指导作者(These authors jointly supervised this work)。