諸葛菜，俗稱“二月蘭”，在早春二月始花且花色為藍(lán)紫色，是我國常見的特色季節(jié)性觀賞植物和綠色覆蓋植物。研究者在2018年Nature Plant發(fā)表的研究工作中首次報(bào)道了兩種雙羥基脂肪酸（Nebraska和Wuhan脂肪酸，Li et al.,2018），將鑒定到的2個(gè)羥基脂肪酸合成基因轉(zhuǎn)入擬南芥異位合成了雙羥基脂肪酸，但含量與諸葛菜相比含量極低。后期研究發(fā)現(xiàn)，諸葛菜籽粒中雙羥基脂肪酸含量高與其同TAG交聯(lián)從而形成較多的多聚內(nèi)交酯直接相關(guān)（Romsdahl et al., 2019）。多聚內(nèi)交酯的特殊結(jié)構(gòu)是諸葛菜籽油在高溫下具有優(yōu)異潤滑特性的基礎(chǔ)。另外，在進(jìn)化分支上看，諸葛菜、板藍(lán)根及蕓薹屬植物同屬十字花科譜系II，但其基因組并未像蕓苔屬一樣經(jīng)歷了三倍化（WGT），而是經(jīng)歷了基因組加倍（WGD）。本研究的開展，主要是為了探究諸葛菜種子特有的多聚內(nèi)交酯形成的可能機(jī)制，雙羥基脂肪酸主要合成酶基因的進(jìn)化模式，以及諸葛菜基因組在加倍后是如何演化的；為將來更好地利用諸葛菜發(fā)展可再生新型油料作物提供支撐。

 

　　2022年9月5日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)國家油菜工程技術(shù)研究中心張椿雨課題組在Plant Commucations上發(fā)表題為 Genome Assembly of the Brassicaceae Diploid Orychophragmus violaceus Reveals Complex Whole Genome Duplication and Evolution of Dihydroxy Fatty Acid metabolism的研究論文，首次組裝了高質(zhì)量的十字花科諸葛菜（O. violaceus）基因組，揭示了該復(fù)雜基因組在多倍化后染色體的斷裂重排過程，同時(shí)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測序提出參與雙羥基脂肪酸和多聚內(nèi)交酯合成的候選基因及其進(jìn)化歷程。

 

　　研究發(fā)現(xiàn)，諸葛菜基因組具有24條染色體，具有明顯的二倍體特征。進(jìn)化分析表明其染色體組在距今約600萬年經(jīng)歷了一次全基因組復(fù)制（WGD）事件。核型分析顯示，單倍體基因組（n=12）中的12條染色體中大多相對于祖先種的tPCK核型發(fā)生了染色體片段的斷裂重排，根據(jù)與板藍(lán)根染色體組核型比較，研究者提出了O. violaceus染色體組可能的進(jìn)化歷程。

 

　　研究者通過不同發(fā)育時(shí)期的諸葛菜種子轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)在雙羥基脂肪酸合成的高峰時(shí)期表達(dá)的基因從功能注釋上并沒有出現(xiàn)與甘藍(lán)型油菜中不同的新基因，包括FAD2,FAE1等已知參與特殊脂肪酸合成的基因在拷貝數(shù)、氨基酸序列和基因表達(dá)上并未出現(xiàn)明顯的變異。OvDGAT基因被鑒定為與雙羥基脂肪酸和多聚內(nèi)膠酯合成相關(guān)的候選基因。

 

　　綜上所述，諸葛菜染色體組級別的基因組組裝揭示了其基因組不同于蕓薹屬近緣物種的進(jìn)化歷程，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析和功能注釋，提出了諸葛菜種子中雙羥基脂肪酸合成背后的候選基因家族成員及其可能的進(jìn)化方式。該研究也為未來通過基因工程改造和利用諸葛菜基因作為基因資源，開發(fā)特殊脂肪酸的工業(yè)利用提供了參考。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院碩士生黃凡和陳鵬副教授為論文共同第一作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)國家油菜工程技術(shù)研究中心張椿雨教授，美國Nebraska-Lincoln大學(xué)Edgar B. Cahoon教授為論文共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金，美國國家自然科學(xué)基金，國家油菜現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系經(jīng)費(fèi)支持。