高质量的四倍体植物Verbena bonariensis的基因组组装研究揭示了其花色形成的机制

《Horticultural Plant Journal》：High-quality genome assembly of autotetraploid Verbena bonariensis sheds light on flower color development

紫穗槐四倍体基因组的高质量组装及花色调控机制研究。通过三代测序和Hi-C技术获得1.35 Gb染色体级基因组，确认两次全基因组重复（WGD），其中最近一次（63.46 MYA）早于与近缘种P. volubilis的分化（38.4 MYA）。代谢组学发现深紫花瓣中特有的Pe3G5G含量显著更高，转录组学揭示37个花青素合成相关基因（如DFR、ANS）及调控因子（VbbHLH79、VbbZIP9）表达差异。功能验证显示VbbHLH79过表达诱导花瓣紫化。本研究为兰科基因组进化与观赏作物分子育种提供新资源。

　　《Verbena bonariensis》的高质量基因组组装与花色调控机制研究

Verbena bonariensis L. 是一种广泛应用于观赏园艺和生态景观设计的植物，因其绚丽的紫色花序而备受关注。然而，由于缺乏高质量的参考基因组，该物种的关键功能特性研究受到了限制。本研究成功组装了高质量、染色体级别的自体四倍体Verbena bonariensis基因组，为该物种的基因组学和功能基因组学研究提供了重要的资源。基因组的大小为1.35 Gb，Contig N50为47.88 Mb，BUSCO完整性评估达到98.3%。基因组包含16条完全无间隙的染色体和6条仅有一处间隙的染色体，共鉴定出106,006个蛋白质编码基因，其中33,205个为等位基因。这一成果不仅揭示了Verbena bonariensis的基因组演化特征，还为解析其花色差异提供了关键线索。

在基因组演化方面，研究发现Verbena bonariensis与其近缘种Petrea volubilis大约在3840万年前分化。这一分化过程涉及两次全基因组复制（WGD）事件，分别是较早的γ-WGD事件（Ks = 2.05，约15766万年前）和近期的WGD事件（Ks = 0.82，约6346万年前）。基因家族的扩张主要由分散和串联重复基因（DDGs和TDGs）驱动，这些重复基因在基因组中起到了关键作用。此外，通过比较基因组学分析，研究还发现Verbena bonariensis与多个Lamiales物种具有显著的基因组共线性关系，这表明其基因组演化路径与其他相关物种存在一定的相似性。

在代谢组学分析中，研究发现两种Verbena花色不同的品系中，花青素的组成差异是导致花色变化的主要因素。具体而言，Delphinidin-3-O-glucoside、Cyanidin-3-O-gentiobioside和Cyanidin-3-O-(6″-O-acetyl)glucoside-5-O-glucoside是主要的色素成分，而Pelargonidin-3-O-(6″-O-acetyl)glucoside-5-O-glucoside（Pe3G5G）的积累水平在深紫色与浅紫色花瓣之间存在显著差异。这一发现提示我们，Pe3G5G可能在深紫色花色的形成中起着决定性作用。

结合代谢组学与转录组学分析，研究进一步揭示了深紫色与浅紫色花瓣中花青素生物合成途径的分子基础。共有37个结构基因和多个调控基因显示出与Pe3G5G积累水平的显著相关性，其中结构基因包括全部的VbDFR（2/2）和VbPAL（6/6）基因等，调控基因则包括VbbHLH79、VbMYB123和VbbZIP9等。这些基因的差异表达可能是导致花瓣颜色分化的重要原因。初步的功能验证表明，VbbHLH79在白花菊花花瓣中的瞬时过表达能够诱导出紫色花瓣，而转基因烟草过表达该基因也表现出更深的紫色花瓣。这些结果表明，VbbHLH79可能是一个关键的调控基因，参与花青素的合成过程。

研究还对Verbena bonariensis的基因组重复模式进行了分析，发现其基因组中存在多种重复类型，包括分散重复、串联重复、相邻重复、倒位重复和全基因组重复。其中，分散重复和串联重复基因在基因家族扩张中起到了主要作用。通过进一步分析这些重复基因的进化模式，研究发现它们可能在促进该物种的遗传多样性及环境适应性方面发挥着重要作用。

在转录组学层面，研究团队对两种Verbena品系的花瓣和叶片进行了转录分析，发现某些关键结构基因在深紫色花瓣中表现出更高的表达水平。这些基因包括VbPAL、VbC4H、VbF3H、VbDFR和VbUGT等，它们的表达水平与Pe3G5G的积累水平显著相关。这表明这些基因可能在促进花青素的合成中起到关键作用。此外，研究还发现某些调控基因，如VbbHLH79、VbMYB123和VbbZIP9，其表达水平与花青素合成基因和Pe3G5G的积累水平密切相关，进一步支持了这些基因在调控花青素合成中的重要性。

通过比较基因组学分析，研究揭示了Verbena bonariensis在基因组演化中的独特地位。其基因组不仅与Petrea volubilis等近缘物种存在显著的共线性关系，还表现出特定的基因家族扩张和收缩现象。这些发现为理解Verbenaceae科植物的基因组演化提供了新的视角，并有助于揭示其在环境适应性和生物多样性形成中的遗传基础。

本研究通过整合多种高通量测序技术和分析方法，构建了一个高质量的Verbena bonariensis基因组。这一成果不仅为该物种的基因组研究提供了重要的基础，还为其他Verbenaceae科植物的功能基因组学研究提供了参考。同时，研究还为观赏植物的分子育种提供了候选基因，有助于开发具有特定花色特征的新品种。此外，研究结果还为解析花青素合成调控机制提供了新的思路，为未来相关研究奠定了坚实基础。