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北京林业大学在读博士研究生以第一作者身份发表Nature Communications

来源：花匠小妙招时间：2024-11-10 12:19

近日，Nature Communications在线发表了我院月季育种团队题为《Multi-omics analyzes of Rosa gigantea illuminate tea scent biosynthesis and release mechanisms》的研究文章。

论文通过构建原产我国的野生蔷薇属种质资源--大花香水月季超高质量基因组，解析了其茶香合成-释放的组织特异性和昼夜节律，提出了月季茶香特异性合成调控网络，为明确中国古老茶香月季在现代月季发展中的地位并找回中国月季独特花香提供了新的视角。

花香被誉为花卉的灵魂，具有重要的观赏、生态和经济价值。随着生活水平的提升和消费观念的改变，人们已不能满足于常见精油种类，一直在探索具多功能新型天然植物精油新原料。此外，市场对于“玫瑰精油”的认识大多停留在“经典玫瑰香”，而中国特有香水月季的“茶香”鲜有人知。

19世纪初，中国云南特有的香水月季与欧洲蔷薇搭建起蔷薇属香味交流的桥梁，造就了重要现代月季种群——杂交茶香月季。大花香水月季是香水月季类群中的重要亲本，是提供茶香性状的祖先物种。但野外调查发现，大花香水月季原始分布区的野生居群数量急剧减少，已被列为中国国家二级保护植物，因此开展大花香水月季的种质保存、遗传多样性研究迫在眉睫。

研究内容

构建了大花香水月季基因组

本研究构建了大花香水月季完整端粒到端粒基因组，通过与蔷薇属其他物种进行比较基因组和系统发育分析发现物种间特异性基因家族种类多，结构变异类型多，发现了大花香水月季基因组的独特属性。高质量参考基因组为构建泛蔷薇属基因组提供了完整骨架，加速推进月季研究进入泛基因组时代。

图1：大花香水月季T2T基因组及着丝粒和端粒的鉴定

图2：蔷薇科的进化与比较基因组分析

月季茶香主要香气成分与释放机制解析

研究通过感官评价和VOCs测定，确定了大花香水月季的主要香气成分。时序基因共表达网络分析发现，苯类/苯丙类挥发性有机化合物合成途径上的基因和有机挥发物对其浓郁甜香起主要调控作用。MYB和bHLH可能是调控丁香酚合成酶（EGS）和异丁香酚合成酶（IGS）合成进而影响花香的重要转录因子。进一步研究发现，大花香水月季花瓣、雄蕊、雌蕊为主要释香部位，主要致香组分丁香酚、异丁香酚和甲基丁香酚分别特异性积累在雄蕊、花瓣和雌蕊中。得到的组织特异性合成调控网络为进一步研究植物是如何通过高度特化的C6-C3苯丙素产生花香挥发物从而吸引传粉者提供了新线索。

图3：大花香水月季花香释放机制以及丁子香酚的高度组织特异性

图4：月季挥发性有机化合物释放昼夜节律与时序基因共表达网络

大花香水月季茶香主要香气成分的调控机制

研究从感官-花香成分-基因表达-同源基因数量和结构等多水平联合解析了大花香水月季与微香型‘月月粉’之间的差异。进一步研究发现中国月季特有的“茶元素”3,5 -二甲氧基甲苯，仅在大花香水月季中高含量分布，而‘月月粉’具有高含量结构类似物1,3,5-三甲氧基苯。比较基因组结果显示两种中国月季中，发挥作用的OOMT基因数量也有所差异。研究结果为下一步研究蔷薇属茶香特异性合成机制奠定了理论基础。

图5：月季不同开花时期挥发性有机化合物释放节律与时序基因共表达网络

该研究全面解析了大花香水月季基因组，构建了其不同组织、不同开花阶段和不同时间的香气图谱和遗传信息数据库，揭示了茶香的关键致香组分及其关键基因的合成调控网络，为茶香月季的保护和研究提供重要的遗传资源，为解析形成蔷薇属独特花香的遗传和变异机制奠定理论基础，为进一步提升月季的芳香品质，助力我国花卉分子育种和定向改良提质增效提供了技术支撑。

图6：月季花香驯化历史与展望

北京林业大学园林学院在读博士研究生周利君为论文的第一作者。于超教授、罗乐教授、张启翔教授和东北师范大学高翔教授为论文的通讯作者。昆明杨月季有限责任公司杨玉勇董事长为本试验提供了宝贵的材料支持。于超教授课题组在读研究生吴思惠、陈沄毅、黄润环、程璧瑄、毛晴怡、刘庭函、刘雨晨参与了部分试验以及论文的撰写。园林学院潘会堂教授、福建师范大学赵凯老师为本研究提供了重要帮助。

本研究得到了中央高校基本科研业务费专项资金（QNTD202306），国家重点研发计划（2019YFD1000400）和国家自然科学基金项目（32071818）等项目资助。

来源：北京林业大学