2024年6月20日，广州医科大学徐晴团队和福建农林大学刘仲健团队在Plant Biotechnology Journal杂志上发表了题为Dendrobium thyrsiflorum genome and its molecular insights into genes involved in important horticultural traits的论文。该项研究利用球花石斛的多组学数据，深入剖析了其花色形成和衰老过程的分子机制，并进一步研究了球花石斛花朵发育以及对环境变化的适应性所涉及的基因特性和表达模式。
石斛属包含约1500个种类，是兰科中最大的属之一，以其极高的观赏价值和广泛的药用价值而闻名。球花石斛（Dendrobium thyrsiflorum）作为石斛属中一个备受关注的物种，不仅在药用上有着一定地位，其园艺观赏价值也较高，以其白色花瓣和黄色的唇瓣而受到青睐。在过去一百年中，其栽培品种经过了多次选择和培育。
科研团队发现球花石斛的基因组大小约1.44 Gb，含有28,702个编码蛋白质的基因。其中，与萜类化合物生物合成相关的基因家显著扩张。研究人员还鉴定出了一个关键基因，编码了一个编码托品酮还原酶，这是球花石斛特有生物碱合成的关键基因。
球花石斛的黄色唇瓣与其类胡萝卜素的合成密切相关。在类胡萝卜素代谢过程中，八氢番茄红素脱氢酶（crtP）催化植物烯向番茄红素的转化，而胡萝卜素脱氢酶基因（ZDS）的缺失则会导致色素的丧失。类胡萝卜素异构酶（crtH）的功能障碍则会导致番茄红素的积累，从而改变植物的着色。在花唇瓣发育的关键阶段，crtP的同源基因表达上调，同时，一个ZDS同源基因和两个crtH同源基因在着色期间的表达显著增加，它们在球花石斛的类胡萝卜素生物合成中扮演着至关重要的角色。这些基因在唇瓣和其他花部位的特异性表达，决定了球花石斛独特的花色模式。研究还发现了两个类BjPC基因dth.06G00155和dth.19G01519，它们在着色关键阶段的唇瓣中表达差异显著，促进了富含类胡萝卜素的质体发展，导致了色差的产生。AS1和CHI同源基因也在球花石斛的显色过程中发挥了重要作用。
尽管球花石斛的花色鲜艳，但其花期相对较短。科研团队鉴定了与乙烯生物合成和信号传导相关的基因，并揭示了这些基因在不同花部位的特异性表达谱，表明乙烯在花朵衰老过程中扮演着重要角色。研究还涉及了与花发育密切相关的MADS-box基因家族，并发现兰科植物树兰亚科的MADS-box模型在不同分支基因的拷贝数上并不保守。TPS基因家族对于植物在面对寒冷、高温和干旱等环境胁迫时的应答和生存至关重要，研究也揭示了TPS基因家族中的TPS-b分支，在石斛萜类物质的多样化和环境适应中发挥了重要作用。
本研究通过分析球花石斛的染色体级别基因组和不同开花时期花朵各部分的转录组数据，揭示了其花色分布模式的分子机制。此外，研究团队还阐明了与乙烯生物合成和信号传导通路相关基因的表达模式，为石斛属花衰老研究和分子育种提供了遗传基础。同时，研究也明确了MADS-box和TPS基因家族在石斛属中的特异性作用。
广州医科大学陈冰洁教授、深圳国家基因库王洁雨博士和广州医科大学科研助理郑培基为该论文共同第一作者。广州医科大学徐晴教授、福建农林大学刘仲健教授、斯凯默生物技术（深圳）有限公司张国强博士为论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、广州医科大学高层次人才项目、福建农林大学林业高峰学科建设项目（72202200205）和国家重点研发计划（2023YFD1600504）的经费支持。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14411
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