中國熱科院在花椒“Chinese Pepper”基因組進化和適應性演化研究方面取得重要進展

　　中國熱科院香飲所熱帶香辛飲料種質資源研究室在中國花椒基因組進化和適應性演化研究方面取得重要進展。研究團隊在實現(xiàn)竹葉花椒（Zanthoxylum armatum）和紅花椒（Zanthoxylum bungeanum）基因組的高質量拼接和染色體錨定的基礎上，揭示了花椒獨特的花器官退化、利己素合成和適應性表型創(chuàng)新的遺傳基礎，表明花椒基因組進化和表型創(chuàng)新與晚新生代嚴酷的生態(tài)因子，特別是寒冷和/干旱的氣候條件相一致。研究結果為花椒多樣性演化和表型創(chuàng)新背后的適應性進化機制提供了重要的見解，對新地質時期極端環(huán)境變化下植物保護利用和適應性演化理論的完善具有廣泛意義。

 

　　竹葉花椒（Zanthoxylum armatum）和紅花椒（Zanthoxylum bungeanum）是蕓香科（Rutaceae）花椒屬（Zanthoxylum）香料作物，因其在中醫(yī)藥和中國飲食中的廣泛應用被譽為“Chinese Pepper”。 花椒經濟價值高、適應性強，種植面積超過2000萬畝，是我國最大的木本香料作物，在服務國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略中具有重要價值。此外，花椒異常復雜的基因組、退化的繁殖策略和獨特的適應性表型也賦予了其在植物適應性演化研究中的獨特價值。

 

　　基于高深度測序、Canu組裝和“邊聚類邊去冗余”的策略，研究團隊組裝了目前連續(xù)性和完整度最優(yōu)的竹葉花椒（Zanthoxylum armatum） 和 紅花椒（Zanthoxylum bungeanum）基因組。基因組進化分析表明花椒基因組劇烈的基因組重排和兩次全基因組復制造就了花椒基因組大（~4.5 G）、重復序列比率高（>82%），雜合度高（>6%）和染色體數(shù)目多（2n=4×=132）的特性。結合代謝組、基因組進化和轉錄組分析揭示了花椒獨特的花器官退化、麻味素等利己素合成和環(huán)境適應性表型創(chuàng)新的遺傳基礎。這些表型與被子植物經典進化理論 （達爾文的“討厭之謎”） 中傳粉者協(xié)同進化的表型創(chuàng)新有顯著的區(qū)別。進一步基于竹葉花椒和紅花椒適應性差異、基因表達的亞基因組偏好性和黃酮類化合物的積累差異，揭示了花椒基因組進化和表型創(chuàng)新與晚新生代嚴酷的生態(tài)因子，特別是寒冷和/干旱的氣候條件相一致，表明了花椒適應性演化與基因組進化、環(huán)境驅動的一致性。研究結果可為花椒分子育種和植物演化提供提供數(shù)據和理論參考。

 

　　研究結果以“The complex genome and adaptive evolution of polyploid Chinese pepper （Zanthoxylum armatum and Zanthoxylum bungeanum） 發(fā)表在《Plant Biotechnology Journal》。我院郝朝運研究員、華中農業(yè)大學金雙俠教授、江蘇金椒鴻香料科技研究院院長朱姝為論文的共同通訊作者，胡麗松、范睿副研究員，華中農業(yè)大學許忠平博士后為共同第一作者。該項研究得到了國家自然科學基金、海南省院士創(chuàng)新平臺科研專項、江蘇金椒鴻香料科技研究院基因育種專項等項目的支持。

 

　　原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13926