玫瑰的“内在美”抗性具有较高的育种价值

2021-08-13 08:46:00

玫瑰的花语是爱情,有着美好的寓意,在全世界知名度极高。实际上,玫瑰不是一个“花瓶”,除了好看之外,还有宝贵的内在品质——生态学价值高,可以在干旱和盐碱地种植,挖掘其基因资源具有重要意义。

近日,南京农业大学园艺学院教授程宗明和博士陈飞等人在《园艺研究》发表研究论文,他们破译了首个玫瑰植物的基因组,达到高质量染色体的组装水平,并揭示了玫瑰耐盐、耐旱等的分子遗传基础,为玫瑰遗传学研究提供科技支撑,对于改良月季、蔷薇等品种的抗性具有较高的育种价值。

生态适应性很强

玫瑰在分类上属蔷薇目蔷薇科蔷薇属玫瑰种。玫瑰属于落叶灌木,枝干多刺,奇数羽状复叶,小叶约5~9片。玫瑰花瓣呈倒卵形,花色有紫红色、白色等,果期8~9月,果实性状呈红色扁球形,看起来很像番茄。

“玫瑰是一种良好的经济作物,花朵主要用于提炼玫瑰精油,玫瑰精油应用于化妆品、食品、精细化工等工业用途。而且,玫瑰还是风景园林里非常重要的观赏植物。”论文通讯作者程宗明在接受《中国科学报》采访时说。

“其生态价值很高,可以抗旱、抗盐碱,因此在海边也能生长。很少有植物既能适应干旱环境,又适应沿海滩涂地带,比如在蔷薇科里的其他植物都没有这么强的生态适应性。”论文第一作者陈飞告诉《中国科学报》。

实际上,玫瑰的原产地是中国,但正因为其抗盐碱,被引入了美国东海岸,由于颜值和实力兼具,玫瑰在北美洲沿海岸迅速蔓延,变成一种“入侵植物”。因为玫瑰长在海滩,其果实又像番茄,所以玫瑰果实在美国被称为“海滩番茄”。现在,玫瑰已经成为美国东海岸沙滩上非常重要的当家植物。

玫瑰这种对干旱、盐碱、高温高湿环境的极强适应力,引起了科研人员的兴趣。

程宗明介绍,他们早些年在我国江苏沿海地带开展了玫瑰沿海滩涂实验,发现玫瑰确实非常耐盐,在沿海种植玫瑰也为绿化做了贡献。

从科学角度,这个植物为什么这么耐盐,其机理并不清楚。由于缺乏玫瑰的基因组信息,玫瑰的产学研还处于初级阶段,限制了玫瑰育种的改良。

首个高质量玫瑰基因组

科研人员开启了新征程,他们希望通过解码玫瑰基因组,来破译遗传信息。不过,由于玫瑰的基因组有一定的杂合度,所以玫瑰的研究进展不像作物那么快。

“把这本‘书’给翻译过来、破解了遗传秘密后,我们就可以知道基因组这个‘箩筐’里到底装了什么东西,一共有多少基因、有哪些基因在发挥效用。”程宗明说。

“我们选用了高度耐盐碱的野生滩涂玫瑰作为测序材料。”陈飞介绍,然后使用先进的三代测序技术,获得了高质量的7条玫瑰染色体序列,基因组大小为382.6Mb。

与蔷薇科月季、草莓等基因组相比,该玫瑰基因组序列质量高、完整度好,序列具有高可信度。科研人员通过基因注释还获得了玫瑰39704个基因。

“而且,我们发现玫瑰的基因组较为保守。在其他近缘物种里,它们都有一些明显的染色体变化,但是玫瑰中却没有变化,这一点十分有趣。”陈飞表示。

基于对玫瑰和其他蔷薇科基因组的比较分析,科研人员在月季中发现了一个独特的大倒置片段,并在草莓中发现了全基因组三倍(WGT)后事件引起的倒位片段。研究还发现在WGT后保留了与花发育和抗逆信号相关的基因模块。

“玫瑰抗逆性比较突出,主要是由于玫瑰在长期进化过程中,保留了两个相关基因。我们发现这两个候选基因对玫瑰的生态适应性有很强的作用,可能促成了玫瑰这种独特的能力以适应恶劣的环境。”陈飞说。

提供基因资源助力育种

玫瑰有很多“宝”,比如精油成分、香气、抗旱抗盐碱等,科研人员对这些“优点”寄予了厚望。

“通过我们为玫瑰遗传育种和生态研究提供的清晰‘地图’,领域里的科研人员可以在这个图上找感兴趣的研究对象,促进了玫瑰研究升级换代。”陈飞表示。

在他看来,高质量的基因组也为近缘物种的比较研究提供了很大的便利性,对蔷薇科果树的遗传改良以及抗旱性、抗盐碱性的改良提供一些优异的基因资源。

“未来,我们将做全方位的解析,希望可以培育出更好的耐盐植物和耐干旱植物,提高玫瑰精油的产量,丰富精油和芳香的种类。”程宗明说。

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