【Molecular Plant】中国中医科学院中率先破译菊花（野菊）基因组！

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     中国中医科学院中药研究所、湖北中医药大学、南京农业大学、安利植物研发中心和浙江农林大学等多家单位联合发起的菊花全基因组计划取得重大进展。近日国际著名期刊Molecular Plant在线发表了野菊（菊花脑）的全基因组测序工作（DOI:https://doi.org/10.1016/j.molp.2018.10.003）。菊花基因组联合公关团队利用纳米孔(Nano-pore)测序技术突破复杂高等植物基因组测序，首次完成了药用菊花野菊（图1）为菊属植物代表的全基因组测序，同时本项研究还完成重要的药用菊花品种——杭白菊的全长转录组遗传信息发掘。此次完成野菊全基因组测序，对于阐释被子植物的进化尤其是菊科植物多样性具有极其重大的科学意义，同时本项研究将极大地促进菊花药效成分、香气、花型及花色相关基因的深入挖掘和分子育种模式下的药用菊花品种选育。 

图1 野菊（菊花脑）图片

     众所周知，菊科物种是被子植物最大的科，其物种数据大约占到被子植物总数的10%。菊属作为菊科极具观赏价值、药用价值的属，包括菊组和苞叶组两大分支。其中大家较熟悉的野菊、甘菊、菊、异色菊等都属于菊组成员，其特有的花瓣形态与颜色，多样的染色体结构与倍性，以及复杂的杂交事件，一直备受植物学家的关注。同时作为重要的中药原料，《中华人民共和国药典》2015年版共收录了菊属的野菊和菊两个物种。针对菊属植物复杂的染色体遗传结构以及丰富的种质资源遗传多样性，团队完成了菊花的全基因组测序，这对于揭示菊属物种的起源进化及物种多样性具有重要的意义。

     项目团队利用纳米孔测序结合二代高通量测序技术对分布于江苏南京的野菊花（菊花脑）进行了全基因测序、组装、注释及相关分析。通过Nanopore测序技术，总共获得了39个flow cell数据105.2Gb数据，共计570万条单分子的reads，平均长度17.7kb。本研究结合362.3 Gb 的Illumina数据，采用混合拼接的方法，共组装出了约2.53Gb基因组总长，约占全基因组总长的82%，鉴定出了56,870个编码蛋白基因。针对其庞大基因组的结构组成进一步分析发现野菊基因组中69.6%被鉴定为重复序列，其中长末端重复反转录转座子最多,LTR/Copia占据基因组的25.4%,其次是LTR/Gypsy repeats (21.5%)。通过和已经测序的15个植物基因组进行比较后发现，野菊中有1,939个特异基因家族共计8,009基因。基因家族伸缩与扩张研究发现共1,965和1,777基因家族发生了扩张及伸缩（图2）。

图2：野菊相关的进化分析

     在菊花的进化历史上，发生了多次的全基因组复制事件，特别是在和近缘物种向日葵基因组分化之后，菊花在大约38.8百万年之前发生了一次物种特异的全基因组复制事件。研究发现，菊花基因组的近期复制时间可能直接导致了与花发育及重要药效成分合成相关基因的加倍，这些事件可能与菊花大量的种质多样性及药效成分多样性相关。这部分本项研究主要是针对花瓣对称性基因TCP转录因子、花型MADS-box转录因子、类胡萝卜素代谢途径（图3）、黄酮代谢相关转录因子、萜类合成酶及P450基因簇展开的。

图3. 野菊花型、花色研究

   本研究由中国中医科学院中药所宋驰副研究员、湖北中医药大学刘义飞教授、安利植物研发中心董刚强博士等共同完成，陈士林研究员与南京农业大学陈发棣教授为共同通讯作者。

通讯作者简介

陈士林，中国中医科学院中药研究所所长，世界卫生组织传统医学合作中心主任，教育部长江学者和创新团队负责人。国内外首创中草药DNA条形码鉴定技术体系并纳入中国药典，被评为2016年中国医学十大进展；完成人参、丹参等十余种中草药全基因组图谱，主持无公害中药材精细栽培项目并推广应用, 获新品种证书4项。获国际国内专利36项，国家科技进步二等奖3项，为吴阶平医药创新奖和亚洲第三位Agilent Thought LeadershipAward获得者。