玫瑰属植物中新生基因SCREP的起源与进化及其在丁香酚生物合成中的调控机制

这篇研究通过高质量基因组组装和比较分析，揭示了玫瑰属(Rosa)中新生基因SCREP的多步起源过程，发现其通过招募MITE转座子增强表达，并负调控苯丙烷代谢途径关键基因(COMT1/CCR1/EGS2等)的表达，从而影响丁香酚(eugenol)合成。该研究为理解基因从头起源(de novo origination)与表型进化提供了新视角。

　　

玫瑰花香中的基因进化密码：SCREP基因的起源与功能解析

花香多样性的基因组基础

研究团队对两种蔷薇亚种——白花重瓣木香(RbW)和黄花单瓣木香(RbY)进行了全基因组测序，获得472.61 Mb和444.83 Mb的染色体级别基因组。比较基因组分析发现，RbY中特有的SCREP基因在RbW中仅保留第二外显子，这种结构差异与两亚种丁香酚含量差异显著相关。代谢组分析显示RbW花朵中丁香酚含量是RbY的20倍以上。

一个基因的"从无到有"

SCREP基因的进化历程展现了基因从头起源的典型特征：

1. 1.

   在蔷薇科近缘物种如悬钩子属(Rubus)中仅存在第二外显子同源序列

2. 2.

   在草莓属(Fragaria)中出现无功能的同源序列

3. 3.

   到蔷薇属(Rosa)才形成完整基因结构

   系统发育分析表明SCREP约在1680万年前起源于蔷薇属，其启动子区招募的MITE转座子(436-829 bp上游)显著增强了基因表达。

分子开关：转座子驱动的表达调控

研究发现SCREP启动子中的MITE转座子是其表达调控的关键元件：

• •

  含有完整MITE的启动子片段(P1)活性显著高于缺失片段(P1RM)

• •

  在蔷薇属晚分歧物种中，带有MITE的SCREP基因被固定下来

• •

  转基因实验证明MITE能增强报告基因表达达5倍以上

SCREP的分子功能解析

亚细胞定位显示SCREP蛋白定位于细胞核和细胞质，具有转录因子特性。功能实验证明：

1. 1.

   在草莓果实中过表达SCREP可降低FaCOMT1/FaCCR1表达，减少丁香酚积累

2. 2.

   在蔷薇RNAi株系中敲低SCREP会提高RcCOMT2/RcCCR1表达

3. 3.

   DAP-seq分析发现SCREP能结合CCR1和EGS2启动子的GAGAGA motif

4. 4.

   酵母单杂交证实SCREP直接结合CCR1和EGS2启动子

代谢调控网络的重构

SCREP通过多层级调控影响苯丙烷代谢：

• •

  抑制限速酶基因COMT1(咖啡酸-O-甲基转移酶)

• •

  下调CCR1(肉桂酰-CoA还原酶)和EGS2(丁香酚合成酶)

• •

  激活REF1(松柏醛脱氢酶)表达

  这种"三抑制一激活"的模式精细调控着丁香酚合成通量。

进化与育种启示

该研究揭示了几个重要规律：

1. 1.

   新生基因可通过招募转座子快速获得表达调控机制

2. 2.

   物种特异性基因能整合进保守代谢通路发挥功能

3. 3.

   SCREP等基因的获得/丢失是玫瑰香味多样化的关键因素

   这些发现为分子育种提供了新靶点，可通过编辑SCREP或其启动子来调控花香特征。

研究团队还建立了蔷薇属高效遗传转化体系，包括：

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  基于农杆菌(Agrobacterium rhizogenes)的毛根转化

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  TRV介导的病毒诱导基因沉默(VIGS)

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  CRISPR-Cas9基因编辑系统

  这些技术为后续功能基因组研究奠定了基础。

这项研究不仅解析了一个新生基因的起源故事，更揭示了植物如何通过基因组创新来塑造其化学表型，为理解基因起源与功能进化提供了经典案例。