近日，生物學(xué)院高宏波教授課題組在國(guó)際著名的植物學(xué)期刊《Plant Physiology》（一區(qū)，Top期刊）上發(fā)表了題為“Molecular dissection of the parental contribution in Paeonia Itoh hybrids”的研究論文，對(duì)伊藤雜種牡丹（Paeonia Itoh hybrids）的遺傳組成進(jìn)行了較為深入的分析研究，闡明了牡丹和芍藥在雜交形成伊藤牡丹的過程中兩者的遺傳貢獻(xiàn)比例和構(gòu)成。
課題組首先對(duì)伊藤牡丹系列中的著名品種‘芭茨拉’（Paeonia Itoh hybrid 'Bartzella'）進(jìn)行基因組測(cè)序，并將其基因組數(shù)據(jù)比對(duì)到牡丹（P. suffruticosa）‘洛神曉春’和鳳丹（P. ostii，通常被視為野生牡丹）的基因組上時(shí)，發(fā)現(xiàn)在基因組水平上，大量的單核苷酸多態(tài)性（SNP）位點(diǎn)顯示出2:1的比例，少部分的SNP顯示出1：1：1的比例（圖2）。據(jù)此推測(cè)在雜交過程中，牡丹和芍藥作為親本，其中一個(gè)親本貢獻(xiàn)了兩份基因。通過對(duì)SNP比例的統(tǒng)計(jì)，初步推斷出牡丹是貢獻(xiàn)兩份基因的親本。
圖1. 芍藥、牡丹以及伊藤雜種牡丹的葉片
圖2. 伊藤雜種牡丹‘芭茨拉’基因組數(shù)據(jù)比對(duì)到鳳丹的已組裝基因組后顯示具有2：1比例的SNP位點(diǎn)遍布整個(gè)基因組
課題組隨后選取了四個(gè)保守基因MinD、ARC6、GUN5和EMB2754，在基因水平上通過PCR擴(kuò)增和Sanger法DNA測(cè)序獲取進(jìn)一步證據(jù)。對(duì)17個(gè)芍藥品種、21個(gè)牡丹品種以及32個(gè)伊藤牡丹品種的測(cè)序結(jié)果分析顯示，這四個(gè)基因的測(cè)序峰圖均出現(xiàn)了具有2:1峰高比例的SNP。通過分析堿基類型及其峰高占比，研究確認(rèn)了在雜交過程中，牡丹作為父本貢獻(xiàn)了兩份基因，而芍藥作為母本貢獻(xiàn)了一份基因。值得注意的是，在MinD、GUN5和EMB2754基因的測(cè)序峰圖中均發(fā)現(xiàn)了1:1:1比例的SNP，這表明牡丹貢獻(xiàn)的兩份基因存在差異。因?yàn)槟档ず湍档ぶg的差異遠(yuǎn)低于牡丹和芍藥之間的差異，這些1:1:1比例的SNP的數(shù)量遠(yuǎn)小于2:1比例的SNP數(shù)量。
課題組還利用了兩對(duì)親本和子代已知的伊藤牡丹雜交組合，對(duì)親本和子代各品種中的四個(gè)基因進(jìn)行了測(cè)序分析（圖3），結(jié)果和上述結(jié)果一致。
圖3. 兩對(duì)親本和子代已知的伊藤牡丹雜交組合的基因測(cè)序分析結(jié)果。此處僅顯示分析的四個(gè)基因中MinD基因的測(cè)序結(jié)果峰圖和SNP位點(diǎn)。
基于論文中的研究結(jié)果，研究提出了一個(gè)牡丹與芍藥雜交形成伊藤雜種牡丹的遺傳模型（圖4）：在牡丹的減數(shù)分裂過程中，由于減數(shù)分裂Ⅰ期同源染色體未能正常分離，產(chǎn)生了含有兩套異質(zhì)性染色體的2n雄配子。該配子與芍藥通過正常減數(shù)分裂產(chǎn)生的1n雌配子結(jié)合，形成了三倍體的伊藤雜種牡丹。兩個(gè)雜交組合中親本和子代的四個(gè)基因的測(cè)序結(jié)果（圖3）也很好地驗(yàn)證了上述模型。
該項(xiàng)工作通過基因組序列分析和特定基因的Sanger測(cè)序峰圖分析，有效地揭示了伊藤牡丹的親本貢獻(xiàn)和遺傳構(gòu)成，為促進(jìn)伊藤牡丹以及其他植物的三倍體遺傳育種提供了新的研究方法和思路，有助于提高雜交育種的準(zhǔn)確性和效率。
圖4. 牡丹與芍藥雜交形成伊藤雜種牡丹的遺傳模型
北京林業(yè)大學(xué)高宏波教授和洛陽國(guó)家牡丹基因庫黃治民高級(jí)工程師為該論文的通訊作者，博士研究生洪琮浩、碩士研究生趙瑩瑩、博士研究生喬美玉為論文的第一作者。該研究得到了國(guó)家林木種質(zhì)資源庫牡丹項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://academic.oup.com/plphys/advance-article/doi/10.1093/plphys/kiae413/7730004
