中国农业科学 | 专题：芍药属杂交育种与种质创新

《中国农业科学》专题

芍药属杂交育种与种质创新（点击题目查看原文）

牡丹（Paeonia suffruticosa Andr.）和芍药（Paeonia lactiflora Pall.）隶属于芍药科芍药属，是我国的传统名花，具有重要的经济价值、文化价值和观赏价值。长期的近亲杂交与无性繁殖是导致芍药属品种退化的主要因素。芍药属的花型、叶色、观赏期等性状直接影响其观赏价值和经济价值，在芍药属产业发展中发挥着积极作用。解析芍药属远缘杂交障碍、杂种形成问题以及优质种质资源观赏性状发生的生理与分子机制，对于充分利用芍药属丰富的野生及栽培资源进行种质创新、定向精准育种，并促进芍药属产业化的快速发展具有重要意义。

在此背景下，《中国农业科学》出版的“芍药属杂交育种与种质创新”专题，一方面报道了芍药属组间倍性育种、杂交受精前障碍及其发生机制；另一方面报道了牡丹主要观赏性状的调控机制，为牡丹性状改良及新品种培育、促进牡丹产业化发展提供理论依据和方法指导。

芍药属杂交育种与种质创新

 ■贺丹, 张明星, 周平西, 何松林

分子核型分析揭示芍药属组间杂种新倍性及其产生机制

■ 关紫恒, 季润泽, 荣琪, 徐雨杰, 钟原, 成仿云

【目的】 牡丹与芍药杂交产生的芍药属组间杂种（Paeonia Itoh Group）是重要的新兴观赏植物。之前的研究均未在组间杂种中发现三倍体（2n=3x=15，ABC）以外的倍性，以及A、B基因组间的染色体易位。通过扩大研究材料范围、改进核型分析技术，旨在检测组间杂种中是否存在其他倍性和染色体异源易位现象，探究组间杂种性状与染色体组成的关系，为芍药属组间杂种产生机制及性状遗传规律奠定理论基础。【方法】 利用双色基因组原位杂交（genomic in situ hybridization，GISH）和rDNA荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization，FISH）技术，对‘粉云飞荷’芍药（2n=2x=10，CC）ב金帝’牡丹（2n=2x=10，AB）组合产生的11个组间杂交后代进行核型分析；利用流式细胞术检测组间杂种‘京华幻彩’叶片形态与倍性的关系。【结果】 9个材料为三倍体（2n=3x=15，ABC），其中，在2个三倍体中发现A、B基因组间的染色体易位，包括2A与2B、3A与3B染色体间的相互易位，以及3A与3B染色体间的非相互易位。另外2个组间杂种中，‘京蕊紫’为二倍体（2n=2x=10，AC），而‘京华幻彩’具有二倍体（2n=2x=10，AC）和近三倍体（2n=3x-1=14，AB^-1C）等不同核型，在不同分株苗中，不同核型独立存在或呈嵌合状态，其中，不裂叶片均为二倍体，而开裂叶片为近三倍体、近二倍体或包含近三倍体的嵌合体。不同倍性的组间杂种具有高度一致的性状，包括生活型均为草本、花盘均为革质、雌雄蕊均高度不育等；但叶型、花色、花期等性状在不同倍性间存在明显差异。【结论】 证实了三倍化是组间杂种形成的主要途径，新发现的少数二倍体可能是由三倍体或近三倍体在体细胞有丝分裂过程中发生B基因组染色体丢失形成。倍性差异对组间杂种性状有重要影响，来自亲本的3个亚基因组均与组间杂种性状的形成有密切关系。揭示了芍药属组间杂种染色体核型的多样性及其形成机制。

基于转录组和代谢组分析‘凤丹’×大花黄牡丹远缘杂交受精前障碍发生机制

■ 贾文庆, 和亚琳, 段慧琳, 于迎月, 王政, 赵国栋, 郭英姿, 王二强, 穆金艳, 张焱, 王艳丽, 何松林

【目的】 大花黄牡丹（Paeonia ludlowii）是西藏特有野生牡丹种质，具有高大株型、纯黄色花朵及猩红秋叶等优异性状，但其与栽培牡丹的远缘杂交障碍导致其优良基因未能有效利用，解析其授粉后柱头响应远缘杂交的分子机制，阐明花粉-柱头识别障碍的调控网络，为突破牡丹远缘杂交受精前障碍提供理论依据。【方法】 以栽培品种‘凤丹’（Paeonia ostii Fengdan）为母本，大花黄牡丹为父本开展杂交试验，设置‘凤丹’自交（CK）、‘凤丹’×大花黄牡丹（DH），以及经2 mg·L-1 KCl预处理柱头后的‘凤丹’×大花黄牡丹（KH）。利用荧光显微技术动态监测授粉后0—4 h的花粉萌发及花粉管生长情况；采用Illumina高通量测序进行柱头转录组分析（RNA-seq），并结合UPLC-QTOF-MS非靶向代谢组学技术，筛选差异表达基因（DEGs）与差异代谢物（DAMs），通过KEGG和GO富集分析解析关键代谢通路。【结果】 表型观察表明，CK组授粉后2 h即出现大量花粉萌发，4 h可见花粉管极性生长；DH组授粉4 h仅少数花粉萌发；KH组花粉萌发量显著高于DH组。花粉-雌蕊互作中，高浓度O2-和H2O2抑制花粉萌发；KEGG富集分析表明，DEGs与DAMs主要参与糖代谢、细胞壁组织与生物合成及黄酮类化合物代谢途径。牡丹远缘杂交中，碳水化合物的普遍下调导致能量供应不足，黄酮类物质减少引发活性氧（ROS）稳态失衡，是花粉萌发受抑的关键因素。【结论】 Rboh介导的ROS动态失衡、糖代谢紊乱引发的能量供给不足、黄酮类物质代谢异常及激素信号传导紊乱，使大花黄牡丹远缘杂交花粉萌发受阻，最终导致受精前障碍形成。

牡丹AP2/ERF转录因子的全基因组分析

■ 许朵朵, 杜倩倩, 赵理想, 栗燕, 黄淦, 李永华, 逯久幸

【目的】 挖掘牡丹AP2/ERF基因家族在花发育中的功能，为精细化调控牡丹花型育种提供理论依据。【方法】 以牡丹基因组为基础，系统鉴定牡丹AP2/ERF基因家族成员，进行系统进化分析、基因结构分析、顺式元件分析和重复事件分析。自公共数据库下载拟南芥、水稻、葡萄和枫香树的基因组文件，并以牡丹为参照进行种间共线性分析。利用全球公共数据库下载所有牡丹组织测序不同部位的RNA-seq数据集，进行文件拆分、序列比较，最后通过TBtools构建热图对牡丹AP2/ERF基因家族成员的功能进行预测。通过主成分分析和层次聚类分析对样本间的整体相关性进行评估。通过对12个基因进行实时荧光定量分析，验证家族成员组织特异性表达的有效性。【结果】 共鉴定出126个AP2/ERF家族成员，通过系统发育分析，将其划分为AP2、ERF、DREB和RAV 4个亚家族和1个未分类（Soloists）序列。根据共线性分析，鉴定到122个基因锚定在牡丹5条染色体上，共含有73对共线性基因。牡丹与枫香树、葡萄同源基因对数远多于牡丹与拟南芥、水稻的同源基因对，表明各亚家族内部存在高度的保守性，且常伴随UTR的缺失。顺式元件分析表明，牡丹AP2/ERF家族基因主要参与植物生长发育、激素响应、非生物胁迫应答和光信号调控过程。表达分析显示，鉴定到的126个AP2/ERF家族成员中有48%的基因参与了花发育的过程。筛选出12个与花发育相关的AP2/ERF成员（3个来自AP2亚家族、6个来自DREB亚家族和3个来自ERF亚家族），以‘凤丹白’牡丹的根、茎、叶、盛花期花瓣和5个分化时期花芽为材料，进行qRT-PCR试验，结果显示，83%的基因与预测的表达情况吻合。【结论】 牡丹AP2/ERF家族的扩张是串联复制以及染色体片段复制造成的。牡丹AP2/ERF家族的扩张发生在牡丹与拟南芥分化后。牡丹中除了AP2亚家族，ERF和DREB亚家族的部分基因也参与了牡丹花发育的过程，进一步说明牡丹AP2/ERF家族成员的功能与其他植物存在较大差异。

基于叶色表型和花青苷积累特征的牡丹红色叶性状解析

■ 魏晨曦, 董山榕, 王小满, 罗建让

【目的】 牡丹不仅具有良好的观花价值，其新生叶片常常呈现紫红色，是园林中的春色叶植物之一。解析牡丹红色叶性状形成的生理机制和关键基因，可为牡丹观叶品种的选育提供理论依据。【方法】 采集长红叶期的卵叶牡丹（Paeonia qiui）和短红叶期的‘洛阳红’（P. Luoyang Hong）叶片6个发育时期样品，通过色差仪测定叶色参数，使用酶标法测定花青苷和叶绿素含量，并采用高效液相色谱（HPLC）分析花青苷组分，最后通过qPCR检测花青苷合成相关基因的表达。【结果】 表型观察与色差分析表明，卵叶牡丹叶片红度较高，红叶持续期长，可维持到开花前；而‘洛阳红’虽早期新叶呈现红色，但展叶后很快转绿。HPLC分析表明，2种牡丹的叶片均以芍药素-3,5-二葡萄糖苷（Pn3G5G）为主要花青苷成分，卵叶牡丹的总花青苷含量显著高于‘洛阳红’，尤其在S4时期差异明显。qPCR结果显示，卵叶牡丹叶片中花青苷合成相关结构基因CHS、DFR和ANS的表达水平与花青苷含量变化趋势一致，相关性分析表明，DFR表达水平与花青苷含量呈极显著正相关，ANS表达水平与花青苷含量呈显著正相关；二者作为关键结构基因影响花青苷的合成。‘洛阳红’叶片中CHS、F3H、DFR和ANS的表达水平与花青苷含量趋势基本一致，相关性分析显示，DFR与ANS表达水平均与花青苷含量呈显著正相关。【结论】 卵叶牡丹和‘洛阳红’叶片呈现红色的主要色素均为芍药素-3,5-二葡萄糖苷，DFR和ANS是牡丹叶片花青苷生物合成途径中的关键结构基因，其表达水平与花青苷积累密切相关，进而影响牡丹红色叶片的形成。