2018年4月27日，北京林業(yè)大學(xué)張啟翔教授領(lǐng)銜的國家花卉工程技術(shù)研究中心，與青島華大基因研究院、深圳華大生命科學(xué)研究院以及賓夕法尼亞州立大學(xué)等單位通力合作完成了首個梅花全基因組重測序研究，構(gòu)建完成了世界首張梅花全基因組變異圖譜，“梅花花部性狀的遺傳結(jié)構(gòu)”（The genetic architecture of floral traits in the woody plant Prunus mume）。研究論文在《自然通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表https://rdcu.be/MJwC。
梅花全基因組重測序的完成將為其分子標(biāo)記輔助育種的研究提供重要的理論框架，也將在應(yīng)用上為其花色、花型、株型等重要觀賞性狀基因的遺傳選育及品種改良提供重要平臺，對梅花重要觀賞性狀的遺傳解析具有里程碑的作用。
梅花（Prunus mume）為薔薇科李屬植物，我國是世界上重要的梅花起源和栽培中心，梅花在我國已有3000多年的栽培歷史，深受國人喜愛，居中國十大名花之首，有花魁之稱。其生物學(xué)特性最為可貴之處在于花期早，可在晚冬及早春時節(jié)開花。作為一種重要的觀賞植物，梅花花色繁多、花香濃郁、花型極美，與松、竹并稱“歲寒三友”，并被賦予了“堅貞不屈”、“高雅脫俗”等精神特質(zhì)和文化表征，歷來頗受文人墨客推崇，留下諸多詠梅詩篇。此外，梅還有花梅與果梅之分，梅果還可加工成多種產(chǎn)品，極具營養(yǎng)價值。
鑒于梅花栽培品種經(jīng)過長期的人工馴化和自然授粉，其遺傳背景極為復(fù)雜，為了揭示梅花和李屬的演化歷史，開展梅花分子標(biāo)記輔助育種工作，揭示梅花重要觀賞性狀的遺傳機(jī)理，該項目選取333株梅花品種、15株野生梅花以及梅花的近緣物種山杏、山桃和李開展全基因組重測序研究，利用Illumina HiSeq 2000的測序平臺，平均測序深度19.3X，挖掘到534萬個SNP標(biāo)記（單核苷酸多態(tài)性標(biāo)記），極大地推動了梅花群體遺傳學(xué)分析、全基因組關(guān)聯(lián)分析和李屬泛基因組研究的順利開展。
基于挖掘的SNP標(biāo)記，以梅花的近緣物種山杏、山桃和李為外類群，構(gòu)建了梅花品種的系統(tǒng)發(fā)育樹（圖1），共有16個亞群（P1-P16），從該亞群中選擇7個梅花品種和1個野生梅花，與梅花的近緣物種山桃、山杏、李進(jìn)行深度測序和基因組組裝，結(jié)合已經(jīng)發(fā)表的桃和梅花基因組，開展梅花和李屬的泛基因組學(xué)研究。通過對測序序列組裝，Contig N50平均為15.5Kb，Scaffold N50平均為22.6Kb，對組裝序列進(jìn)行注釋，梅花中有22499個核心基因，李屬中有19135個核心基因。在梅花基因組中有3364個特有基因，主要在類黃酮、苯丙烷類化合物、苯基丙胺酸等代謝通路中富集，與梅花花色、花香等重要的觀賞性狀形成相關(guān)。
▲348個梅花品種的系統(tǒng)發(fā)育樹和10個重要觀賞性狀
為了開展梅花分子標(biāo)記輔助育種的工作，基于挖掘的SNP標(biāo)記，對333株梅花品種的24個重要觀賞性狀進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，在梅花的4條染色體上分別鑒定了5個顯著的候選基因區(qū)域與花色、花萼顏色、柱頭顏色、花藥顏色、花瓣數(shù)、花徑、木質(zhì)部顏色和株型等10個性狀相關(guān)。為了檢測這些候選基因在表達(dá)水平的差異，對梅花品種‘烏羽玉’和‘米單綠’進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，有3277個顯著差異表達(dá)的基因。通過對轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的分析，在4號染色體的229Kb至5.57Mb之間，挖掘到了76個SNPs標(biāo)記與花瓣、花萼、花芽和柱頭顏色相關(guān)聯(lián)（圖2）。在4號染色體上，挖掘到了編碼R2R3 MYB轉(zhuǎn)錄因子的候選基因MYB108，通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析，該基因僅在‘烏羽玉’（花瓣為紅色）中有表達(dá)，在‘米單綠’（花瓣為白色）中沒有表達(dá)。利用String database數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了影響MYB108基因表達(dá)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)E2F1參與了MYB108基因表達(dá)的調(diào)控。本研究也發(fā)現(xiàn)MYB108基因上游的3個啟動子區(qū)域中存在一個顯著的SNP標(biāo)記，影響該基因的表達(dá)?？傊琈YB108基因在控制梅花花瓣的顏色中起著至關(guān)重要的作用，為揭示梅花花色的分子遺傳機(jī)理奠定基礎(chǔ)。通過構(gòu)建梅花遺傳圖譜，將控制垂枝性狀的候選基因定位在7號染色體的1.15Mb區(qū)域，結(jié)合梅花品種全基因組關(guān)聯(lián)分析，挖掘到了控制垂枝性狀的bHLH157和CYP78A9等13個與木質(zhì)素合成相關(guān)的候選基因，為開展垂枝性狀的分子遺傳學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。
▲梅花花瓣、花萼、柱頭和花芽顏色的全基因組關(guān)聯(lián)分析
“梅花花部性狀的遺傳結(jié)構(gòu)”項目首席專家張啟翔教授長期從事梅花等中國傳統(tǒng)名花的種質(zhì)資源和遺傳育種研究，是國家花卉工程技術(shù)研究中心主任，國家花卉產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長，國際園藝學(xué)會（ISHS）執(zhí)委、觀賞植物遺傳資源工作組主席、梅品種國際登錄權(quán)威專家，國際園藝生產(chǎn)者協(xié)會（AIPH）副主席，中國園藝學(xué)會副理事長、觀賞園藝專業(yè)委員會主任，中國花卉協(xié)會梅花蠟梅分會會長，“十二五”863現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域植物分子設(shè)計與品種創(chuàng)制技術(shù)主題專家、項目首席科學(xué)家，花卉種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室主任。張啟翔教授指出，“梅花全基因組重測序順利完成，是繼梅花全基因組研究工作后的又一重要突破，將有助于開展梅花株型、花色和花型等重要觀賞性狀的分子標(biāo)記輔助育種工作，有助于解析諸多重要性狀功能基因的遺傳機(jī)理，為梅花及相關(guān)種屬的分子育種奠定基礎(chǔ)；同時梅花全基因組重測序相關(guān)研究以及我們正在開展的其它后基因組學(xué)研究對于我國花卉的基礎(chǔ)研究進(jìn)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。”
項目主持單位國家花卉工程技術(shù)研究中心于2005年經(jīng)科技部批準(zhǔn)組建，依托單位北京林業(yè)大學(xué)，長期從事花卉種質(zhì)資源評價、新品種培育、高效繁殖、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、人居環(huán)境應(yīng)用方向的工程技術(shù)研發(fā)工作，建有北京市花卉研發(fā)創(chuàng)新示范基地、北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家花卉種質(zhì)資源庫、國家林業(yè)局花卉產(chǎn)品質(zhì)檢中心等研發(fā)平臺，牽頭組建起國家花卉產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟。主持完成“十一五”國家科技支撐計劃重點(diǎn)項目“園藝作物安全高效生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”、“十二五”國家863計劃“林果花草分子育種與品種創(chuàng)制”項目，以及國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、科技支撐計劃、863計劃、國家林業(yè)公益性行業(yè)專項、北京市自然基金等國家和省部級課題100多項，培育并獲得美國、歐盟植物品種專利以及國家植物新品種保護(hù)權(quán)120余項，獲國家發(fā)明專利110余項，發(fā)表SCI論文200余篇，獲國家科技進(jìn)步二等獎4項（均為完成單位）、省部科技獎20余項，為國家花卉產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步做出重要貢獻(xiàn)。2012年，牽頭完成了梅花全基因組學(xué)研究，論文在《自然通訊》（Nature Communications）以亮點(diǎn)文章發(fā)表。 項目另一主要參與單位青島華大基因研究院在首個梅花基因組圖譜構(gòu)建項目即與北京林業(yè)大學(xué)合作。團(tuán)隊長期從事多組學(xué)和生物信息學(xué)相關(guān)研究，落地青島1年來，已在Nature、Science等高水平雜志發(fā)表文章18篇。青島華大依托深圳華大生命科學(xué)研究院和深圳國家基因庫，已建成全國領(lǐng)先的海洋基因庫平臺和跨組學(xué)研究中心，成為華大基因在我國北方科研的核心。