Nature发表福建农林大学张亮生课题组的研究论文《睡莲基因组和早期开花植物进化》
2019-12-22 11:10:02   来源:化石网   评论:0 点击:

Nature发表福建农林大学张亮生课题组的研究论文《睡莲基因组和早期开花植物进化》(化石网报道)据生物世界:2019年12年19日,国际顶尖学术期刊Nature杂志在线发表了来自福建农林大学张亮生课题组及合作者题为:





Nature发表福建农林大学张亮生课题组的研究论文《睡莲基因组和早期开花植物进化》

(化石网报道)据生物世界:2019年12年19日,国际顶尖学术期刊Nature杂志在线发表了来自福建农林大学张亮生课题组及合作者题为:The water lily genome and the early evolution of flowering plants 的研究论文。
 
该研究获得了蓝星睡莲的高质量基因组,并通过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;同时解析了睡莲的花器官发育和花香花色调控基因,对园艺植物分子育种等应用具有重要参考价值。
 
据了解,该篇文章为福建农林大学建校以来第一篇以第一完成单位的Nature论文,再次祝贺福建农林大学。值得一提的是,1983年出生张亮生教授,本科和硕士皆为数学专业,2012年于复旦大学生科院获得遗传学博士学位,目前为福建农林大学海峡联合研究院教授。
 
无油樟目(Amborellales),睡莲目(Nymphaeales)与木兰藤目(Austrobaileyales)一起属于早期被子植物类群,被称为ANA被子植物类群。ANA被子植物类群,与单子叶,真双子叶以及木兰类等一起组成现在的被子植物。开花植物在2亿年前起源,其快速辐射扩张到30万种并占领地球,这种被子植物快速辐射现象也被达尔文称为“恼人之谜”。通常睡莲是指睡莲目睡莲科睡莲属种的睡莲,睡莲属分成5个亚属,包括了50多了种;广义的睡莲包括了睡莲科所有物种。
 
睡莲与荷花虽然相似,但是两种亲缘关系差别很远。睡莲有50多原生种,而荷花只有两种,睡莲具有更强的适应性和广泛的分布。睡莲的花色类型很多,除了常见花色类型,还有蓝色,紫色和各种嵌色系。睡莲的花香类型丰富并且浓烈,是理想的花香提取材料。花色花香是园艺植物非常重要的性状,了解背后的分子机制是分子遗传育种的第一步,而睡莲是理想的花色花香研究材料。睡莲基因组工作不仅助力睡莲成为早期被子植物的模式植物研究体系以及揭示早期开花植物进化特征,而且在花色花香等园艺性状研究方面做出一定贡献。
 
该研究获得了蓝星睡莲的高质量基因组,并通过系统发育组分析显示睡莲和无油樟属于早期被子植物类群,支持无油樟是最早的被子植物类群。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。
 
此外,研究发现睡莲的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,只是在单子叶和核心双子叶中严格表达,是后期进化出来的。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。
 
之后,该研究还推测了睡莲花色和花香的合成途径基因。通过比较自然变异的白色花瓣蓝星睡莲与蓝色花瓣的转录组,发现两个重要基因可能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。该研究还鉴定了一个在花瓣中高表达的脂肪酸合成酶同源基因,在酵母中检测到其具有催化的活性。此外,花香成分及其合成基因进化分析显示睡莲与核心被子植物是平行进化出花香。由于睡莲独特的进化位置,其基因组展示了早期开花植物的进化特征。
 
总的来说,该研究通过睡莲基因组发现基因组加倍和花香的起源对被子植物的快速辐射具有重要性,揭示早期开花植物的花器官发育可能不是严格受ABC基因调控。在园艺育种上,蓝色花瓣的合成关键基因的发现可以作为培育蓝色花瓣花卉的候选基因。
 
据悉福建农林大学张亮生教授是睡莲基因组工作的第一作者和唯一通讯作者,福建农林大学是第一作者和通讯单位。其中共同第一作者有南京农业大学陈飞,福建农林大学张兴坦,根特大学Zhen Li,复旦大学赵义勇等。
 
通讯作者介绍
 
张亮生教授,男,1983年11月生,目前为福建农林大学海峡联合研究院教授。
 
教育经历:
 
2009/07–2012/07,复旦大学生命科学学院,遗传学博士2006/08–2009/07,上海大学数学系,理学硕士2002/09–2006/07,长江大学数学系,理学学士
 
工作经历:
 
2015/06-至今 福建农林大学,基因组与生物技术中心,教授(特聘)/PI,博导2013/02–2015/06 同济大学,转化医学研究院,生命科学与技术学院,副研究员2012/07–2013/02, 宾夕法尼亚州立大学,博士后。
 
相关报道:我校举行睡莲基因组和早期开花植物进化研究成果新闻发布会
 
(化石网报道)据福建农林大学(曹佳奕):12月19日上午,我校在常盛会议中心举行睡莲基因组和早期开花植物进化研究成果新闻发布会。张亮生教授团队的研究成果《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)于北京时间12月19日在《自然》(Nature)上在线(online)发表。该研究获得了蓝星睡莲的高质量基因组,展示了早期被子植物的进化特点,解析了睡莲的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。
 
该研究由福建农林大学、南京农业大学、比利时根特大学、复旦大学、美国宾州州立大学等单位共同完成。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。开花植物的快速辐射曾长期困扰科学家并被达尔文认为是“恼人之谜”,睡莲作为早期开花植物类群,其基因组和生物学特点对理解被子植物起源和快速辐射具有重要的意义。睡莲也是最重要的观赏花卉之一,在植物园、公园、小区的水体里都有种植,在众多国家国徽、国旗、钱币、邮票上也有出现,具有重要的经济和文化价值。此外,睡莲也因其独有的花色花香,为园艺植物研究提供了理想的模式植物。
 
校长兰思仁,副校长郑宝东,省教育厅、科技厅、农科院、林业局等相关单位代表,睡莲基因组和早期开花植物进化研究团队负责人张亮生教授及团队主要骨干,合作单位,有关新闻媒体代表,我校师生代表等出席新闻发布会。发布会由副校长郑宝东主持。
 
兰思仁指出,张亮生教授团队取得的成果是团队成员科学求实、不断探索的结果,体现了农林大广大科技工作者勇攀科学高峰的优秀品质。他表示,学校将认真贯彻全国教育大会和习近平总书记给涉农高校书记校长和师生代表的回信精神,坚持以立德树人为根本、以强农兴农为己任,拿出更多科技成果,培养更多知农爱农新型人才,为服务科技强国和新时代农业农村发展做出新的更大的贡献!
 
睡莲基因组和早期开花植物进化研究团队负责人张亮生教授介绍了项目实施过程及主要科学发现,并回答了现场记者提问。
 
相关报道:科学家破解“开花植物快速占领地球之谜”获新进展
 
(化石网报道)据新华社(林超):来自中国、美国、比利时等国的科学家合作的论文《睡莲基因组和早期开花植物进化》19日在国际顶尖学术刊物《自然》线上发表。论文宣布获得了蓝星睡莲的高质量基因组并进行了分析,为破解“开花植物如何在2亿年内快速占领地球”之谜迈出了关键一步。
 
作为开花植物的代表之一,睡莲不仅是世界多地公园、小区池塘中的“常客”,乃至出现在多国国徽、国旗、钱币、邮票上,体现了分布广泛性。专家介绍,开花植物的快速辐射能力被达尔文认为是“恼人之谜”:自2亿年前起源至今,开花植物已产生30多万种,而其兄弟裸子植物只有800多种。
 
“基于睡莲基因组数据的分析结果显示,睡莲祖先发生过多倍化,且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。”论文第一作者、福建农林大学教授张亮生说,由于睡莲在开花植物进化过程中的独特位置,研究结果对揭示开花植物起源和进化具有重大意义。
 
此外,论文对睡莲的花色花香途径进行了解析,对园艺植物的花色花香研究具有重要参考价值。张亮生说,比如睡莲有独特的蓝色花瓣,是很多育种学家想复制到其他观赏花卉的颜色。
 
福建农林大学、南京农业大学、比利时根特大学、复旦大学、美国宾州州立大学等单位共同参与了本次研究。
 
相关报道:睡莲为何能这般美
 
(化石网报道)据中国科学报(温才妃):睡莲是古老的被子植物。被子植物又称开花植物,是地球上最繁盛的类群,是日常生活中接触最多的植物类群。开花植物在2亿年产生30万种并占领地球,其快速辐射吸引了许多科学家前来探究,并被达尔文认为是“恼人之谜”。
 
作为早期被子植物类群,睡莲基因组和生物学特点对理解被子植物快速辐射,具有重要的意义。
 
12月19日,由福建农林大学教授张亮生主持,南京农业大学、比利时根特大学和美国宾州州立大学等多家单位参与的睡莲基因组和早期开花植物进化研究在《自然》在线发表。
 
地球上最古老的开花植物类群
 
谁是地球上最古老的开花植物类群?
 
 目前有三种分支模式,第一种将无油樟放在被子植物最基部分支,第二种中睡莲是最基部分支,第三种无油樟和睡莲目是姐妹类群且同时属于最基部。
 
尽管 2013 年美国科学家完成了无油樟基因组工作,但是并没有解决其系统位置上的分歧。因此,睡莲的基因组不仅能解决谁是现存最早的被子植物类群的问题,也为开花植物进化提供了研究资源。 
 
睡莲目中蓝星睡莲基因组只有400M。蓝星睡莲是热带植物,在海南3至4个月就能完成整个生活史;此外,睡莲种子多,一个果实里有几千粒种子。这些特点都让课题组认定蓝星睡莲是“十分理想的模式植物”。
 
“我们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被子植物类群,支持无油樟是最早的被子植物类群。”张亮生补充,根据21颗化石的标定计算,所有被子植物的起源时间可以推算到2.3亿至2.6亿年前。而单双子叶则分化于1.7亿到2亿年前。在睡莲目中,睡莲科与莼菜科在1.5亿至1.9亿年前分化,即睡莲目至少起源于1.5亿年前。
 
一次古老的基因组加倍事件
 
透过显微镜,张亮生等人发现了睡莲的基因组奥秘。他告诉《中国科学报》,花的发育主要由MADS-box转录因子控制,其中花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊主要由MADS-box 转录因子中的AP1、AP3/PI、AG和SEP基因控制,这个模型简称ABCE模型。
 
ABC基因在单子叶和核心双子叶中具有严格的表达模式,但他们在研究中发现,睡莲ABC基因具有广泛的表达情况。
 
“这说明早期开花植物的花器官发育不是严格受ABC基因调控。”南京农林大学教师陈飞说,单子叶和核心双子叶中严格表达,可能是后期进化出来的。睡莲的ABC基因表达情况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。 
 
通过基因组分析和转录组数据比较,他们还发现,睡莲科祖先发生了一次基因组加倍事件。“这对于了解睡莲的起源、广泛分布、多样性都有很大的帮助,也借此加深了学界对多倍体的认识。”张亮生说。 
 
发生基因组加倍事件会带来怎样的影响?陈飞解释,相比之下,无油樟与睡莲分化之后,未经历基因组加倍,没有花香和颜色变化,而睡莲经历过基因组加倍,使其具有丰富的花色、花香而更像核心被子植物。
 
蓝花、浓香惹人爱 
 
在园艺界中,勿忘我、二月兰、风信子……数得上名字的蓝色系花卉堪称少有。蓝色花卉的新品种选育,更是全球园艺育种工作者孜孜以求的花卉育种目标和研究重点。 
 
睡莲的花色类型众多,除了常见花色类型,还有蓝色、紫色和各种嵌色系。蓝星睡莲有蓝色花瓣,是研究和鉴定蓝色花瓣中关键基因的好材料。课题组还获得了蓝星睡莲自然条件变异种——白色蓝星睡莲,其花瓣是白色的。
 
“我们对二者进行比较分析,发现参与花青素合成途径中有两个基因在蓝色花瓣中特异高表达,而在白色花瓣表达很低或不表达。这两个基因刚好位于花青素合成途径最后两个环节,推测这两个基因编码蛋白是催化生成蓝色花青素重要酶。”张亮生说。 
 
睡莲花香浓郁、沁人心脾,是香料市场的宠儿。但少有人知其包含11种不同的芳香成分,当中主要是萜类和脂肪酸。课题组鉴定了一个在花瓣中高表达的脂肪酸合成酶同源基因,在体外检测到其具有催化的活性,由此他们发现睡莲的花香成分起源与其他被子植物是不一样的,和单双子叶是平行进化的。
 
“通过研究发现,睡莲的花香是独立起源的。”张亮生说,解析睡莲的花香合成途径、蓝色花瓣合成关键基因,将为园艺植物分子遗传育种提供重要的目标基因。
 
相关论文信息:
 
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1852-5 
 
相关报道:我国科学家发现睡莲花香花色“调控开关”
 
(化石网报道)据中国科技网(谢开飞 通讯员 曹佳奕 陈旻):法国莫奈笔下的《睡莲》,人们印象深刻、已是世界名画。然而,睡莲为什么会散发出迷人的香味? 其赏心悦目的花色类型又是如何形成的?
 
19日,福建农林大学此间宣布,国际顶级学术刊物《自然》在线发表该校张亮生教授团队的研究成果“睡莲基因组和早期开花植物进化”。该研究在世界上首次解析了睡莲基因组,并发现了调控睡莲花色花香合成的关键基因,标志着我国在这一研究领域处于国际领先水平。
 
开花植物又叫被子植物,其中睡莲是被子植物起源和进化过程中重要节点;花色花香是园艺植物非常重要的性状,了解背后的分子机制是分子遗传育种的第一步。人称“植物小白鼠”的拟南芥和水稻几乎没有花色花香,故无法展开相关研究,而睡莲因花色繁多、花香浓烈,已被开发成为睡莲茶和香水等产品,具有重要的经济和文化价值,是理想的花色花香研究材料。
 
通过比较自然变异的白色花瓣蓝星睡莲与蓝色花瓣的转录组,张亮生团队发现蓝色花瓣合成途径中的两个重要基因。“有了基因组,就能根据同源物种比较分析,根据模式植物中已经知道的花色花香合成途径基因,来预测睡莲的花色花香合成基因。由于睡莲与模式物种中的花色花香成分有异同,这种异同需要用不同手段进行分析获得是哪些基因差异导致的,也就是‘调控开关’。” 张亮生说。
 
张亮生举例说,如蓝星睡莲蓝色花瓣是很多物种没有的,一旦知道蓝色与白色花瓣的“调控开关”,就可以为以后用分子遗传育种培育蓝色花瓣提供目标基因。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。
 
据了解,该研究由福建农林大学张亮生教授主持,南京农业大学、比利时根特大学和美国宾州州立大学等多家单位参与。近五年来,该校先后破译小菜蛾、菠萝、甘蔗、龙眼、花生等基因组,首次解析植物光受体蛋白作用机制,取得了系列重大科学发现,研究成果相继在《科学》《细胞》和《自然遗传学》等发表。
 
相关报道:中国学者领衔解析睡莲基因组
 
(化石网报道)据中国青年报(陈强):由福建农林大学教授张亮生主持,南京农业大学、比利时根特大学和美国宾州州立大学等多家单位共同参与的研究成果《睡莲基因组和早期开花植物进化》,今天在国际顶尖学术刊物《自然》上在线发表。
 
中国青年报·中国青年网记者从福建农林大学今天召开的新闻发布会上获悉,睡莲是全世界重要的水生观赏花卉,其基因组和生物学特点是解析开花植物起源和快速辐射的关键一环。上述研究有两方面的重要成果: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。
 
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。
 
据福建农林大学校长兰思仁介绍,近5年来,该校先后破译小菜蛾基因组、菠萝基因组、甘蔗基因组、龙眼基因组、花生基因组,首次解析植物光受体蛋白作用机制,取得了一系列重大科学发现,研究成果在国际顶级刊物《自然》《科学》《细胞》和《自然遗传学》上发表。

相关热词搜索:睡莲 基因组 开花植物

上一篇:二连盆地始新世脊齿貘类的食性与栖息环境研究揭示哺乳动物演化对全球气候变化的响应
下一篇:5700年前被咀嚼过的古代“口香糖”桦树沥青检测出古人类“Lola”全部基因组

分享到: 收藏