【“麻”打哪兒來?科學家終於對花椒下手了】被譽為“八大調味品”之一的花椒,是我國特色的藥食同源植物,具有重要的經濟、藥用及生態價值。但是,目前花椒育種仍處於傳統育種階段,相關基因組學和分子生物學研究進展緩慢,遺傳育種工作一直停滯不前。

近日,西北農林科技大學教授魏安智團隊在花椒研究上取得新突破。他們成功組裝了花椒染色體級別的參考基因組,並且在該基因組訊息基礎上,初步摸清了花椒麻味、香氣以及色澤這三個主要特徵的合成通路。

該參考基因組為研究近期轉座子擴增和全基因組複製事件對基因得失和基因組重建的影響提供了有價值的模型,並為加速花椒遺傳改良提供了理論基礎。相關成果http://t.cn/A6MtlyDD 發表於《園藝研究》。

【無融合生殖導致育種進度慢】

花椒為芸香科花椒屬植物,我國是花椒的原產國和主產國,栽培曆史悠久,種質資源極為豐富,產量和種植面積均居世界首位。

近年來,花椒種植規模以每年20%~30%的速度遞增,栽培總面積已達2500萬畝左右,年產幹椒約40萬噸,形成了一個年產值約300億元的巨大特色農產品產業。

“花椒的價格這些年一直在上升,最近三年才逐漸趨於平穩,花椒是經濟林里經濟效益比較高的,對於脫貧致富有著重要意義。隨著市場需求的增大,對花椒研究的關注度也越來越高。”該論文通訊作者魏安智在接受《中國科學報》採訪時表示。

魏安智指出,由於花椒是無融合生殖,因此育種進度比較慢。

無融合生殖是一種不需要雌、雄配子結合而直接由母本產生後代的生殖方式。這種特性注定了花椒不能雜交育種,要想培育出優良的、滿足市場需要的品種,破譯基因組成了當務之急。

【染色體數目多、雜合度和重複序列高】

“花椒基因組龐大、染色體數目多,雜合度和重複序列高,導致組裝難度很大。”該論文第一作者、西北農林科技大學博士後馮世靜在接受《中國科學報》採訪時說。

基於此,研究團隊以鳳椒作為測序材料,采用二代、三代的測序策略,同時結合Hi-C染色體構象捕獲技術,組裝了花椒染色體級別的參考基因組,組裝的參考基因組大小為4.23Gb。

“這是目前能夠做到的比較完整的花椒基因組,大小是其同科植物甜橙的10倍之多,有了這張‘地圖’,後續才能開展更加深入的研究。”魏安智表示。

進化分析顯示,花椒和甜橙之間的親緣關系最近,它們的物種分化大約發生在3500萬年前,之後,花椒在約2600萬年前經曆了一次獨立的全基因組複製事件,並在640萬年前發生了轉座子爆發事件,此後經曆一系列染色體斷裂及融合,最終形成了如今的染色體。

【找到關鍵的合成基因】

人們鐘愛花椒,更多的是因為其帶來的“麻”感。“麻、香”味是花椒主要的風味特徵,是其重要的品質評價指標,也是吸引消費者和提高市場競爭力的重要因子。

“現在許多關於‘麻’的研究,還停留在提取花椒的麻味物質,或者研究人吃了花椒後是如何感知麻味的,也有人在研究麻味的化學合成,但是生物合成研究工作鮮少有人開展,我們便以此為突破口。”馮世靜說。

研究團隊利用獲得的基因組訊息,結合轉錄組和代謝組,鑒定出與花椒麻味物質、果皮顏色和香氣物質成分相關的關鍵合成基因,並分析這些基因在果實不同發育時期的表達模式,初步繪制了花椒麻味物質合成的代謝通路圖。

花椒的種植區域非常廣汎,目前我國主要栽培區包括四川、陝西、甘肅、山東、河北等多個省份。在栽培馴化以及引種過程中,花椒形成了諸多品種(系),如大紅袍、小紅袍(小紅椒)等。

不同的種源地,具有不一樣的氣候條件和自然環境,這也導致各產地花椒在香味、麻味以及顏色上有所差異。而且花椒樹枝有刺,影響采摘效率。

“大家都想培育出無刺、香味好、麻味濃、顏色好、產量高的花椒品種,這在以前完全是一種奢望,現在我們破譯了基因組‘地圖’以後,可以開展分子育種,真正實現集萬千優點於一身了。”魏安智說。http://t.cn/A6Mt8KjZ

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