我校合作发表Nature长文 揭示开花植物起源细节

 

12月18日，南京农业大学园艺学院青年教师陈飞博士、陈峰教授、姜一凡博士、张万博博士生、刘关华博士生，联合福建农林大学张亮生教授、复旦大学马红教授、浙江农林大学王正加教授、中科院植物所焦远年研究员和孔宏智研究员、杭州天景植物园主任陈煜初等人，在国际顶级科学杂志Nature上以长文章（Article）格式，在线发表了题为The water lily genome and the early evolution of floweringplants(Zhang et al.,2019)（睡莲基因组及开花植物早期的进化）的论文。该研究结果同时受到了中国科学报、央视网、新华网等国内外几十家媒体的新闻报道。据悉，南京农业大学陈飞博士是该文章的共同第一作者和共同指导作者（Co-supervised this work），陈峰教授是该论文的共同指导作者。南京农业大学是该文章第二作者单位。另外，比利时根特大学Yves Van dePeer院士，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。该项研究获得我校作物遗传与种质创新国家重点实验室开放基金课题资助。

 

  【睡莲是进化研究的活化石】开花植物又叫被子植物，是地球上最多样的植物类群，包括了约416个科和约30万个种，然而，开花植物的姐妹群裸子植物却只有约800种。被子植物短时间内的大爆发，引起了达尔文的深入思考和研究，提出了著名的“达尔文恼人之谜”。科学家们已经发现，无油樟目（Amborellales），睡莲目（Nymphaeales），与木兰藤目（Austrobaileyales）三个目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植物等一起组成现在的被子植物。美国科学家领衔的无油樟的基因组破译工作于2013年在Science上发表，但是并没有研究谁是最古老的被子植物，也没有报道被子植物的起源时间。那么谁是最古老的开花植物？被子植物什么时候起源的？花色、花香、开花时间等性状是如何起源的？目前仍是重要的基础问题和有价值的问题。

 

  【睡莲是优秀的模式材料】在三大类基部被子植物ANA类群中，无油樟是单目单科单属单种植物，仅存于新加里多尼亚岛上，并且是该国国宝，该国严格限制采摘和分享植物材料。因此，睡莲是研究被子植物起源和早期进化的最佳窗口，具有如下优点：草本，生长快速，一年四季都可以开花，花量大，一个果实就有上千粒种子，便于转基因进行功能验证(Yu et al., 2018)。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70多个种；广义的睡莲包括了睡莲目所有物种。睡莲具有重要的经济价值，睡莲花色类型丰富、花香类型丰富并且浓烈，广泛用于鲜切花、花茶、花海等。花色花香开花时间的调控(Xu et al., 2018)是园艺植物非常重要的性状，了解背后的分子机制是遗传育种的第一步。模式植物拟南芥和水稻几乎没有花色花香而无法展开相关研究，睡莲因此是理想的花色花香研究材料(Chen et al.,2017)。

【重要研究发现】本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科和莼菜科的共同祖先发生的。睡莲的ABC基因在各个花器官中具有广泛的表达谱，可能代表着早期被子植物花发育ABC模型。睡莲有花色和花香，与核心被子植物类似，研究推测了它们的合成途径基因，并且发现两个重要基因可能编码蓝色花瓣合成途径关键酶。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。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。

【南农睡莲团队】陈飞博士以基部被子植物睡莲目植物为模式材料，使用基因组学、代谢组学、生物信息学、分子生物技术等手段，研究花的起源、进化、新品种培育、花相关产品的开发和园林应用等。陈飞博士和合作者一道，在Nature, The Plant Journal, Critical reviews in Plant Sciences，HorticultureResearch等杂志发表论文27篇，包括（共同）第一/通讯作者论文17篇。论文被哈佛大学、剑桥大学研究人员等同行们引用超过400次。陈峰教授关注植物次生代谢产物研究，发表论文80余篇, 包括发表在Nature, Cell, Science, PNAS, Plant Cell, The Plant Journal , Plant Physiology上的多篇论文。姜一凡博士关注观赏园艺植物次生代谢产物研究，发表了Plant Cell Environ，J Exp Bot等多篇高质量文章。