依兰高质量基因组组装揭示木兰类进化地位及萜类生物合成机制

依兰（Cananga odorata (Lamk.) Hook. f. & Thomson.）属于木兰类番荔枝科依兰属常绿大乔木，其相对于单子叶植物和双子叶植物的系统发育位置一直存在争议。此外，依兰由于独特的香味被誉为“花香之王”和“天然香水树”，具有很大的商业价值，但是这些独特性的潜在分子机制很大程度上是未知的。为了深入理解其进化地位以及花香合成机制，中国科学院西双版纳热带植物园（以下简称“版纳植物园”）植物基因组演化与次生代谢研究组利用多种测序技术对依兰进行了全基因组测序和组装，首次获得了735.83 Mb依兰端粒到端粒的基因组序列。

研究对23个代表性被子植物基因组的系统发育进行分析，分析结果支持木兰类与双子叶植物为姊妹类群，在进化水平上晚于单子叶植物。精油和花香挥发物检测结果显示，倍半萜是依兰精油和花香挥发物中的主要成分，尤其是β-石竹烯。此外，重复基因来源分析发现串联重复事件显著增加了与依兰萜类生物合成相关基因的拷贝数，这可能是依兰特有香味的代谢物质基础。同时，研究通过体内、体外酶活验证、异源瞬时表达和酵母单杂体等分析表明，倍半萜合酶基因CoTPS21.2和CoTPS21.3是依兰β-石竹烯合成的关键基因，并受其上游转录因子CoSPL3和CoSPL9基因调控。研究结果为木兰类与单、双子叶植物之间的系统发育关系以及倍半萜类物质生物合成的分子基础提供了重要见解。

相关研究成果以The chromosome-level genome assembly of Cananga odorata provides insights into its evolution and terpenoid biosynthesis为题在国际学术期刊New Phytologist杂志在线发表。版纳植物园与中国科学院昆明植物研究所联培博士后郑艳，版纳植物园博士后杨丹妮为该论文的共同第一作者，杨永平研究员、孔祥翔副研究员和杨云强副研究员为该论文共同通讯作者。版纳植物园尹欣副研究员、博士研究生杨兴瑜、硕士生陈明月等多名团队成员也参与了该研究工作。该项研究得到云南省“云岭学者”、国家自然科学基金、云南省博士后科学基金等项目支持。

图1 端粒到端粒的依兰T2T基因组组装全景图。

图2. 23个代表性被子植物基因组的系统发育分析揭示木兰类为双子叶植物姊妹群。

图3. 体外酶活验证和异源瞬时表达鉴定了依兰β-石竹烯合成的关键倍半萜合酶基因CoTPS21.2和CoTPS21.3。