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华中农业大学近期科学研究进展

来源：花匠小妙招时间：2024-09-26 11:25

来源：华中农业大学

发现康乃馨花色花型花香的调控密码

康乃馨（Dianthus caryophyllus）是石竹科石竹属多年生植物。因其花色绚丽，花型独特，香气馥郁，深受世界各地人民的喜爱，被称作世界“四大切花”之一，具有极高的观赏价值和经济价值。

近日，华中农业大学园艺林学学院教授傅小鹏研究团队联合中国农业科学院农业基因组研究所（以下简称基因组所）研究员武志强研究团队，在国际期刊Plant Biotechnology Journal上发表了研究论文。该研究首次组装了康乃馨染色体级别的基因组，并系统研究了康乃馨基因组的进化，对康乃馨的花色、花型和花香等重要观赏性状的分子机理进行解析，鉴定了参与这些性状形成的关键基因。该研究为定向改良康乃馨的观赏性状、培育康乃馨新品种奠定了基础。

康乃馨基因组的组装

研究团队利用第三代ONT、二代Illumina和HIC技术，对康乃馨栽培品种“斯嘉丽”（ D. caryophyllus, cultivar ‘Scarlet Queen’）进行了全基因组测序和组装。康乃馨（2n=30）的基因全长为636.30 Mb，重复序列占70.62%，共注释到43925个基因，Contig N50 和Scaffold N50分别为14.67 Mb和38.55M。

研究发现康乃馨与藜科在约6400万年前发生了分化，并经历了一次近期的全基因组加倍事件，这次加倍事件促进了康乃馨特殊香气丁香酚合成相关的基因的扩张。

基于该基因组，研究团队对康乃馨红边花瓣进行代谢组分析，发现天竺葵素的积累促使花瓣红边的成色，叶黄素和多个类黄酮物质的共同积累，促使花瓣基部成黄色；结合转录组分析，筛选到MYBs, bHLHs 和WRKY44等基因，它们共同调控康乃馨复色的形成。

康乃馨的重瓣花

同时，对香石竹丁香酚在不同时期花瓣的积累过程进行解析，发现EGS基因存在外显子上的结构变异，其提前终止可能是康乃馨丁香酚丢失的原因。

另外，研究发现康乃馨汇总A、C类基因的异位表达可能是影响重瓣型康乃馨形成的重要因素。

该研究为开展康乃馨重要观赏性状的调控和遗传改良提供了宝贵的数据信息和坚实的理论基础，对推动康乃馨分子育种育种具有里程碑式的意义。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.13801

在玉米籽粒发育表观调控研究中取得重要进展

近日，Genome Biology在线发表了华中农业大学玉米团队题为“DNA demethylation affects imprinted gene expression in maize endosperm”的研究论文。该研究揭示了DNA去甲基化酶影响籽粒发育相关基因表达的生物学功能及相关机制，为玉米籽粒产量的遗传改良提供了重要理论支撑。

玉米籽粒主要由胚和胚乳组成，基因表达在籽粒发育过程中起着重要的作用。印记现象是玉米胚乳中的一种特异表达模式，即来自双亲的等位基因在胚乳中只有一方表达，只有母本等位基因表达的称为MEG（Maternally Expressed Genes），只有父本等位基因表达的称为PEG（Paternally Expressed Genes）。然而，控制玉米籽粒胚乳印记基因表达的表观遗传学机制尚不清楚。

为了回答这一问题，作者对玉米中两个控制表观修饰的关键基因（ZmROS1a和ZmROS1b）进行了详细的研究，最终证明DNA甲基化的变异直接调控玉米胚乳印记基因的表达，DNA去甲基化酶调控胚乳印记基因形成的功能在双子叶植物拟南芥和单子叶植物玉米中是保守的。

图1.ZmROS1ab调控玉米胚乳印记基因形成

华中农业大学生命科学技术学院博士生许强为该论文第一作者，李青教授为通讯作者，中国科学院植物研究所张梅研究员，中国农业大学赖锦盛教授，植物科学与技术学院李林教授，明尼苏达大学Nathan Springer教授也参与了该研究。作物遗传改良国家重点实验室高性能计算平台为本项目提供了运算支撑。

华中农业大学玉米团队李青课题组聚焦于玉米籽粒发育的遗传与表观遗传分子机制解析，同时对玉米环境适应机制、表观遗传修饰的生物学功能及机制进行了系统研究。自2016年回国成立实验室以来，在玉米表观遗传学领域取得了系列成果，陆续以通讯作者或共同通讯作者身份在Genome Biology、Molecular Plant、Plant Biotechnology Journal、Plant Physiology等国际主流期刊发表多篇研究论文。

论文链接：

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-022-02641-x

揭示水稻垩白形成的分子机理

近日，华中农业大学工学院夏俊芳教授课题组研究成果以“Investigation of the burial and mixing performance of a rotary tiller using discrete element method”为题在Soil and Tillage Research杂志上发表。研究建立了粘性土壤的颗粒力学模型，揭示了旋埋刀辊对粘性土壤的扰动过程，为长江中下游水旱轮作区秸秆还田机具作业性能优化提供了新思路。

长江中下游水旱轮作区土壤粘性大，秸秆含量高，旋耕作业后土壤中存在秸秆堆积现象，旋耕作业时刀具对土壤的扰动决定了耕后秸秆的分布特性。然而，秸秆还田作业过程中土壤-刀具相互作用复杂，传统方法难以揭示刀具对土壤的扰动过程，制约了土壤翻埋机理解析和旋耕刀具性能优化。因此，阐释土壤-刀具相互作用下的土壤扰动过程尤为重要。

该研究基于离散元法建立粘性土壤颗粒力学模型，针对粘性土壤离散元法建模过程中输入参数及接触模型难以确定的问题，本研究基于土槽试验对粘性土壤颗粒输入参数的敏感性进行分析，对最敏感参数进行单一标定；对比不同粘性接触模型仿真效果，建立了粘性土壤的离散元法模型；通过提取不同深度土壤颗粒微观迁移特性，研究了旋耕刀和螺旋横刀对土壤的扰动形式、范围及强度，获取了刀具不同工作参数及结构参数下的土壤扰动过程，分析了刀具扰动特性的影响因素。

研究表明，HM-JKR模型（Hertz-Mindlin contact model with JKR）对粘性土壤的模拟更符合旋耕作业时的土壤形态；作业参数方面，耕深对刀具扰动特性影响最显著，当耕深由150mm增加到180mm时，旋耕刀和螺旋横刀对土壤的平均扰动强度分别提高25%和30%；结构参数方面，旋耕刀正切刃结构、旋耕刀数量及间距是优化旋埋刀辊扰动性能的关键。该研究为优化长江中下游水旱轮作区秸秆还田机具作业性能提供了新思路。

华中农业大学工学院杜俊老师为论文第一作者，夏俊芳教授为论文通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.still.2022.105349