2024年10月11日，中國農(nóng)業(yè)大學園藝學院高俊平團隊在植物學領域國際著名期刊Nature Plants雜志上發(fā)表了題為Haplotype-resolved genome assembly and resequencing provide insights into the origin and breeding of modern rose的研究論文。該研究首次實現(xiàn)了對四倍體現(xiàn)代月季單倍型解析的高質(zhì)量組裝，通過對200多個薔薇屬野生種和月季栽培種的重測序，明確了現(xiàn)代月季（Rosa hybrida）的起源及育種過程。這標志著在現(xiàn)代月季基因組組成、變異以及重要農(nóng)藝性狀遺傳解析方面取得了重要突破，為未來現(xiàn)代月季基因組選擇育種和分子定向育種提供了堅實的理論基礎。
現(xiàn)代月季（Modern rose）是薔薇屬中栽培月季的總稱，通常指中國月季傳入歐洲后，與多種薔薇屬植物雜交而形成的具備連續(xù)開花能力的雜交品種（R. hybrida）。中國是薔薇屬植物Zui重要的起源中心，在已知的200余種薔薇屬植物中，原產(chǎn)我國的有95種。其中，主要以月季花（R. chinensis），光葉薔薇（R. wichuraiana），香水月季（R. odorata）等野生種的栽培和馴化，形成了中國古老月季類群（Chinese old cultivars）。在歐洲地區(qū)，法國薔薇（R. gallica）、犬薔薇（R. canina）等也通過栽培和雜交，構(gòu)成了歐洲古老月季類群（European old cultivars）。17-18世紀，具備連續(xù)開花特性的中國古老月季 ‘月月粉’（Old blush）、‘月月紅’（Crimson China）、‘休氏粉暈香水月季’（Hume’s Blush Tea-scented China）和‘帕氏淡黃香水月季’（Park’s Yellow Tea-scented China）被引入歐洲，與當?shù)氐钠贩N進行了廣泛雜交，產(chǎn)生了一系列新的園藝類群，被稱之為“過渡類型”（intermediate types），其中包括了波旁薔薇（Bourbon）、諾伊塞特薔薇（Noisette）、波特蘭薔薇（Portland）、茶香月季（Tea）、雜種長春月季（Hybrid Perpetual）等。1867年，法國育種家Jean-Baptiste André Guillot成功培育出一個充分結(jié)合了中國和歐洲古老月季優(yōu)良性狀的新品種，命名為’La France’ （‘法蘭西’），被公認為現(xiàn)代月季（R. hybrida）的開端。盡管現(xiàn)代月季育成的歷史僅有150余年，但自問世以來，憑借其優(yōu)良性狀迅速在月季栽培中占據(jù)了肯定的主導地位。如今，全球栽培的絕大多數(shù)月季都是四倍體現(xiàn)代月季，品種數(shù)量超過40000個，涵蓋切花、庭院綠化、盆栽花卉等多種類型。其中月季切花占據(jù)全球切花市場份額的30%以上，是全球公認的經(jīng)濟價值Zui高的觀賞植物。
根據(jù)文獻記載，約有8到20種不同倍性水平的野生種和古老栽培品種可能參與了現(xiàn)代月季的形成，但究竟是繼承了哪些祖先的優(yōu)秀基因、以及各自的貢獻率即誰是真正的貢獻者，長期以來眾說紛紜，沒有明確答案。并且，現(xiàn)代月季高度雜合，雜交后代分離極其嚴重，長期的反復雜交又導致了現(xiàn)代月季遺傳背景相對單一，使得傳統(tǒng)雜交方式很難獲得進一步突破性的優(yōu)異新品種，亟需通過現(xiàn)代基因組學手段厘清其起源和馴化過程，從而為開展高效的基因組選擇育種和定向分子育種奠定基礎。
近年來，多個二倍體薔薇屬植物的基因組先后被公布，包括玫瑰（R. rugosa），野薔薇（R. multiflora），光葉薔薇（R. wichuraiana ‘Basye’s Thornless’），以及被認為是現(xiàn)代月季重要祖先之一的中國古老月季‘月月粉’（R. chinensis ‘Old Blush’）和‘月月紅’（R. chinensis ‘Chilong Hanzhu’）。然而，現(xiàn)代月季的基因組信息依然長期未解。主要原因在于，現(xiàn)代月季具有高倍性，即大多數(shù)為四倍體；基因組高雜合度、序列高度重復，呈現(xiàn)出節(jié)段性異源多倍體（Segmental allopolyploid）的復雜特征。這些因素使得對其基因組的解析極具挑戰(zhàn)性。
2017年，中國農(nóng)業(yè)大學月季發(fā)育與品質(zhì)創(chuàng)新團隊牽頭，針對四倍體現(xiàn)代月季‘薩曼莎月季’（Samantha）的基因組組裝開展了創(chuàng)新性研究。‘薩曼莎’是一個經(jīng)典的切花品種，花型高芯翹角、花朵大小中等、花色鮮紅、連續(xù)開花能力強，具備現(xiàn)代月季的典型特征。同時，‘薩曼莎’具有清晰的雜交育種歷史，在前期研究中建立了病毒誘導的基因沉默、穩(wěn)定轉(zhuǎn)化和基因編輯等技術體系，可視為四倍體現(xiàn)代月季研究的模式材料，也使‘薩曼莎’成為開展基因組研究的理想材料。
針對‘薩曼莎’基因組組裝過程中高度雜合的節(jié)段異源多倍體特征和同源區(qū)段難以區(qū)分的問題，研究團隊開展了技術攻關。采用ONT ultra-long、HiFi、Pore-C、Hi-C等多種測序技術相結(jié)合的策略，顯著提升了contigs的長度和準確度，成功解決了嵌合組裝問題；通過Pore-C技術解析染色體的遠距離相互作用，克服了同源區(qū)段難以區(qū)分的技術難題。Zui終，成功組裝出了高質(zhì)量的四倍體現(xiàn)代月季單倍型基因組（圖1），為現(xiàn)代月季及其他復雜基因組結(jié)構(gòu)物種的高質(zhì)量基因組組裝提供了有效的創(chuàng)新技術方案。
圖1. ‘薩曼莎’月季的基因組圖示。(1) LTR-RT 密度；(2) Copia-LTR轉(zhuǎn)座子密度；(3) Gypsy-LTR轉(zhuǎn)座子密度；(4) DNA 轉(zhuǎn)座子密度；(5) 基因密度；(6) 基因表達水平；以上各項在 500-kb 非重疊窗口中的分布。同源染色體之間的基因組共線性位于中央。
針對現(xiàn)代月季復雜群體結(jié)構(gòu)和遺傳組成問題，研究團隊通過對200多個薔薇屬野生種、過渡品種以及現(xiàn)代品種進行了全基因組重測序，系統(tǒng)解析了月季的遺傳組成。明確了月季組（p Chinenses）在現(xiàn)代月季育成中的關鍵作用，尤其是中國原產(chǎn)香水月季（R. odorata）對其遺傳背景的顯著貢獻（圖2）。研究還發(fā)現(xiàn)，‘月月粉’（R. chinensis ‘Old Blush’）、光葉薔薇（R. wichuraiana）、法國薔薇（R. gallica）、麝香薔薇（R. moschata）和腺果薔薇（R. fedtschenkoana）等品種分別對‘薩曼莎’的遺傳組成做出了不同程度的貢獻。研究團隊深入分析了與連續(xù)開花、花序分生組織與花器官發(fā)育、花色、衰老、生長、抗病性以及皮刺形成等關鍵性狀相關的基因，發(fā)現(xiàn)這些基因在現(xiàn)代月季馴化和人工選擇過程中發(fā)生了定向選擇，揭示了現(xiàn)代月季在馴化和育種過程中逐步形成的遺傳機制（圖3）。
圖2. 233份薔薇屬植物的群體結(jié)構(gòu)分析。a， 233份薔薇屬植物的系統(tǒng)發(fā)育樹。Hyb，現(xiàn)代品種；Int，過渡品種；Syn，合柱組；Chi，月季組；Rosa，薔薇組；Can，犬薔薇組；Cin，桂味組；其他組，包括芹葉組、小葉組、金櫻子組、碩苞組和木香組；b，2233份薔薇屬植物的主成分分析；c，基于貝葉斯模型的233個樣本的群體結(jié)構(gòu)分析；d，月季育種進程中花型的變化；e，6個潛在祖先種的地理分布。
綜上所述，該研究不僅系統(tǒng)地揭示了現(xiàn)代月季的遺傳基礎和馴化過程，還極大推動了月季的育種研究，為未來觀賞園藝作物的遺傳改良和育種工作提供了重要的思路和參考。
圖3. 現(xiàn)代月季人工馴化選擇位點。a，四倍體過渡品種（Int_4；n = 45）和四倍體現(xiàn)代月季品種（Hyb_4；n = 32）的核苷酸多樣性（π）；b，Int_4和Hyb_4中的LD衰減；c，Int_4和Hyb_4之間的π比值和FST分析揭示了染色體上的潛在選擇區(qū)域。紅色虛線表示前5%的閾值線。
該研究參與單位包括美國康奈爾大學、深圳職業(yè)技術大學、北京農(nóng)學院、上海市農(nóng)業(yè)科學院、仲愷農(nóng)業(yè)工程學院、云南省農(nóng)業(yè)科學院、北京植物園、北京大興月季園、中國古老月季園、昆明楊月季園藝有限公司、云南鑫海匯花業(yè)有限公司、天津極智基因科技有限公司。中國農(nóng)業(yè)大學高俊平教授、馬男教授和美國康奈爾大學費章君教授為文章的共同通訊作者。中國農(nóng)業(yè)大學張釗教授、楊拓博士、劉洋博士、吳杰博士，康奈爾大學的吳珊博士和孫宏賀博士，深圳職業(yè)技術大學的李永紅教授為該論文的共同第壹作者。中國農(nóng)業(yè)大學林濤教授、華大基因高強博士和北京市園林綠化科學研究院辛海波博士和卜燕華博士對論文工作亦有重要貢獻。該研究得到自然科學基金委、教育部111計劃、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部產(chǎn)業(yè)技術體系、北京市科委科技創(chuàng)新服務能力建設計劃、深圳市科技創(chuàng)新局基礎研究項目以及國家資助博士后研究人員計劃的支持。
來源：中國農(nóng)大園藝學院
