研究揭示血红杜鹃复合群花色多样性形成机制
时间 : 2021-05-20     

植物花色多样化是物种适应性进化和新物种形成的重要创新性状之一,也是重要的园艺性状。植物的花色差异主要由花青素合成与分解代谢通路的相关基因调控,由苯丙氨酸生成花青素的黄酮类代谢通路过程已在多个模式物种或作物、园艺品种中被广泛研究。而有关自然分布野生物种花青素形成和积累的分子基础还鲜见报导。  

杜鹃花属是中国种子植物最大的属,全世界有1000多种,中国有近600种,横断山和喜马拉雅地区是其分布和多样化中心,花色多样性丰富。血红杜鹃复合体(Rhododendron sanguineum complex)是我国滇西北及藏东南特有的高山类群,各变种展现出多样的花色变异,而种内复杂多样的花色分化的分子基础尚不清楚。最近,中国科学院昆明植物研究所高连明研究团队与李德铢研究团队,与胡金勇研究员、朱安丹研究员以及爱丁堡皇家植物园Michael Moller博士合作,以同域分布的血红杜鹃复合体3个变种(血红杜鹃原变种、变色血红杜鹃和紫血杜鹃)为研究对象(图1),结合基因组重测序、转录组测序以及花反色光谱特性等综合分析,阐明了不同变种间花色差异的潜在分子机制。研究结果表明,三个变种间花的光谱差异显著,尤其在400-700 nm波长的可见光范围,并且表征花青素含量差异的明度、饱和度、色度与饱和度-色度比存在显著差异。基于转录组数据筛选出15,164个单拷贝直系同源基因,通过差异表达分析鉴定出12个与花青素代谢通路相关的关键候选基因(图2),主要为参与花青素的合成、修饰、转运及分解功能的基因。这些基因上游启动子序列及顺式作用元件(cis-motifs)存在差异,通过调控花青素代谢通路上合成和分解基因的表达量差异实现不同变种间花色多样性分化。本研究为近缘类群的适应性辐射分化研究以及基因流存在下的早期同域物种形成提供了一个可能案例。  

近日,该研究成果以“Differential expressions of anthocyanin synthesis genes underlie flower color divergence in a sympatric Rhododendron sanguineum complex”为题,发表在植物学主流期刊BMC Plant Biology上,博士研究生叶林江为论文第一作者,李德铢研究员和高连明研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(91631101,31670213),中国科学院B类先导专项(XDB31000000)和中国科学院大科学装置(2017-LSFGBOWS-02)等项目的资助。

  
      
图1 血红杜鹃三个变种野外形态特征及样品采集组织 

   
图2 血红杜鹃花色相关花青素代谢通路示意图