趙小慧,馬 策,韓丹丹,李振濤,李成俊

(遼寧省經(jīng)濟(jì)作物研究所,遼寧 遼陽(yáng) 111000)

薔薇屬(Rosa)植物為半木本多年生植物,是被廣泛栽培的世界著名觀賞植物之一[1],其種類繁多,顏色豐富,形態(tài)各異,是最具多樣化的園藝作物之一。 在園林綠化、家庭園藝、香水、化妝品和制藥等不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,給人們的生活生產(chǎn)帶來巨大經(jīng)濟(jì)、綠化及藥用價(jià)值。 薔薇屬植物經(jīng)過多年研究,在品種選育、栽培技術(shù)、基因篩選、分子克隆等方面取得重大突破。 后基因組時(shí)代各種組學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,為深入研究表型性狀背后的遺傳、基因組學(xué)和分子機(jī)制提供了強(qiáng)有力的工具,基于各種組學(xué)數(shù)據(jù),研究人員得以發(fā)現(xiàn)新的基因、解析背后的分子機(jī)制、研究基因之間相互作用、蛋白表達(dá)調(diào)控、基因與環(huán)境相互作用、物種起源進(jìn)化、物種多樣性等問題。 該文以薔薇屬植物組學(xué)目前研究現(xiàn)狀及背景為基礎(chǔ),總結(jié)了在基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、表觀組學(xué)等方面的研究現(xiàn)狀及存在問題,并進(jìn)行展望,以期發(fā)現(xiàn)新基因、解析分子機(jī)制,進(jìn)而把分子編輯技術(shù)應(yīng)用于薔薇屬植物,為加速分子育種提供技術(shù)保障。

1 基因組學(xué)

1.1 核基因組

薔薇屬植物基因組(nuclear genome)雖然較小,只有約560 Mb,但染色體卻高度雜合,物種群體有復(fù)雜的多樣化和多倍體性質(zhì),整個(gè)基因組由7 條染色體組成,倍體范圍在二倍體(2n= 2×= 14; R. chinensis)到十倍體(2n=10×= 70; R.praelucens)之間[1]。 截至目前已完成薔薇屬4 個(gè)種核基因組測(cè)序,這些測(cè)序結(jié)果為深入研究薔薇屬植物分子機(jī)制、基因篩選奠定了基礎(chǔ)。

Lu 等首次采用Hiseq2500 測(cè)序技術(shù)完成了繅絲花(R. roxburghii) 基因組測(cè)序,組裝后基因組大小為480.97 Mb,但由于測(cè)序技術(shù)的局限性和薔薇屬植物基因組的高度雜合性,僅僅完成了草圖組裝[2]。 隨后,Nakamura 等使用高通量測(cè)序平臺(tái)完成野薔薇(R. multiflora Thunb)測(cè)序,其基因組總長(zhǎng)度約為740 Mb[3],但序列存在高度碎片化問題。 為解決因高度雜合造成的組裝碎片化問題,Raymond 等和Hibrand Saint-Oyan 等采用雙單倍體技術(shù)和三代測(cè)序技術(shù)對(duì)‘月月粉’ (R. chinensis ‘Old Blush’)進(jìn)行測(cè)序,提高了復(fù)雜區(qū)組裝質(zhì)量,獲得高質(zhì)量測(cè)序圖譜[4,5]。 Hibrand Saint-Oyan 等組裝后基因組大小為512 Mb,共鑒定了551 個(gè)支架,Contig N50 為3.4 Mb,鑒定了39 669 個(gè)編碼基因和4 812 個(gè)非編碼基因,并使用熒光原位雜交技術(shù)繪制了著絲粒的位置[4]。 Raymond 等基于SMRT 和Hi-C 技術(shù)進(jìn)行測(cè)序,組裝的總基因組約515 Mb,N50 值非常高(24 Mb),93.5%的完整基因在‘月月粉’的雜合基因組中被鑒定出來[5]。 除對(duì)薔薇和月季基因組測(cè)序之外,學(xué)者對(duì)玫瑰(R. rugosa)基因組也進(jìn)行了測(cè)序。Zang 等利用PacBio 和Hi-C 技術(shù)獲得一個(gè)高質(zhì)量玫瑰染色體基因組。 其基因組序列大小約為407. 1 Mb,連接N50 大小為2.85 Mb,支架N50 大小為56. 6 Mb。 超過98%的組裝基因組序列錨定在7 個(gè)假染色體上(402.9 Mb)。 基因組包含37 512 個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因,其中37 016 個(gè)基因(98.68%)被功能注釋[6]。 高質(zhì)量參考基因組的獲得為開展分子圖譜構(gòu)建,數(shù)量性狀位點(diǎn)定位,遺傳變異發(fā)掘,新型分子標(biāo)記開發(fā)以及功能基因克隆提供了參考和框架。

1.2 葉綠體基因組

葉綠體基因組(Chloroplast genome)是獨(dú)立于核基因組外的半自主遺傳系統(tǒng),由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高度保守、核苷酸置換率適中、單親遺傳且基因組較小等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)進(jìn)化、種質(zhì)資源鑒定和分類、居群遺傳、譜系地理研究中。 基于其外源基因表達(dá)量高,空間獨(dú)立以及安全性高等特點(diǎn),也作為生物反應(yīng)器,應(yīng)用于葉綠體遺傳轉(zhuǎn)化中,目前在植物中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)抗性基因、逆境脅迫基因、有害基因在葉綠體中的表達(dá)[7]。 薔薇屬植物葉綠體基因組研究雖然起步較晚,但發(fā)展迅速,自2014 年第一個(gè)薔薇屬植物大花香水月季(R. odorata var. Gigantea)葉綠體基因組首次測(cè)序以來[8],已取得豐碩成果,截至目前(2023 年9 月26 日)NCBI 上共發(fā)表了351 種薔薇屬植物葉綠體基因組。 基于葉綠體基因組的保守性,學(xué)者進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化研究[9～10],結(jié)果與薔薇屬植物目前的分類學(xué)結(jié)果基本一致。

1.3 線粒體基因組

同葉綠體基因組一樣,線粒體基因組(Mitochondrial genome)也是獨(dú)立于核基因組外的另一套半自主遺傳系統(tǒng)。 在植物中,線粒體基因組大小變化范圍大,基因順序、結(jié)構(gòu)高度可變,結(jié)構(gòu)重排率高,但序列進(jìn)化緩慢,母系遺傳,被應(yīng)用于系統(tǒng)發(fā)育、群體遺傳和進(jìn)化,目前已經(jīng)完成了玉米、葡萄、水稻等的線粒體基因組測(cè)序[11]。 與葉綠體基因組相比,線粒體基因組更加復(fù)雜,結(jié)構(gòu)也較多變,目前對(duì)薔薇屬植物線粒體基因組研究較少,Park 等首次用高通量技術(shù)對(duì)一種玫瑰新品種(R. angusta)線粒體基因組測(cè)序,其基因組全長(zhǎng)303,484 bp,總GC 含量為45.2%,包含52 個(gè)基因,涵蓋31 個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因,17 個(gè)tRNA 和3 個(gè)rRNA。 通過與已發(fā)表的由測(cè)序原始數(shù)據(jù)組裝而成的玫瑰線粒體基因組相比,共鑒定出124 個(gè)SNP和769 個(gè)INDEL[12]。

1.4 比較基因組學(xué)

比較基因組學(xué)(Comparative genomics)是以基因組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用軟件對(duì)比基因組結(jié)構(gòu)和功能區(qū)域?qū)ふ蚁嗤c(diǎn)與不同點(diǎn),進(jìn)而發(fā)現(xiàn)新基因、揭示基因功能,研究物種進(jìn)化和DNA 條形碼等的學(xué)科[13]。 Jeon 等將薔薇屬合柱組野薔薇、傘花薔薇(R. maximowicziana)及光葉薔薇(R.luciae),小葉組繅絲花以及月季組大花香水月季葉綠體基因組進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)合柱組植物因假基因化而丟失了infA 基因。 兩個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因區(qū)域(ndhF 和ycf1)和5 個(gè)非編碼區(qū)域(5'matK-trnK, psbI-trnS-trnG, rps16-trnG,rpoB-trnC 和rps4-trnT)被鑒定為高度信息性標(biāo)記,13 個(gè)基序被鑒定為有效標(biāo)記[13]。 Yin 等對(duì)金櫻子(R.laevigata)、玫瑰、狗薔薇(R.canina)進(jìn)行葉綠體基因組重復(fù)序列、IR縮擴(kuò)、突變位點(diǎn)分析,篩選出高變異區(qū)域(trnH-GUU、trnSGCU、trnG-GCC、psbA-trnH、trnC-GCA、petN、trnT-GGU、psbD、petA、psbJ、ndhF、rpl32、psaC 和ndhE),可作為葉綠體條形碼,為薔薇屬葉綠體基因組的條形碼鑒定奠定了基礎(chǔ)[14]。

2 轉(zhuǎn)錄組學(xué)

轉(zhuǎn)錄組學(xué)(Transcriptomics),是基于測(cè)序技術(shù),研究特定細(xì)胞類型、組織或個(gè)體在特定發(fā)育階段或特定生理狀況下的一整套R(shí)NA (包括信使RNA、轉(zhuǎn)移RNA、核糖體RNA 和其他非編碼RNA)轉(zhuǎn)錄物的學(xué)科。 轉(zhuǎn)錄組學(xué)著眼于RNA 水平基因表達(dá),利用轉(zhuǎn)錄本對(duì)差異表達(dá)基因進(jìn)行篩選,并構(gòu)建特定信號(hào)調(diào)控下生物學(xué)過程中相關(guān)基因的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò),提供基因結(jié)構(gòu)和功能的全基因組信息,以揭示特定生物過程中涉及的分子機(jī)制[15]。 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序已經(jīng)成為分析差異基因表達(dá),從而提供基因結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)調(diào)控、基因產(chǎn)物功能和基因組動(dòng)力學(xué)等不可缺少的工具,也是篩選目標(biāo)基因及解析特定信號(hào)通路分子機(jī)制的重要手段。 目前已經(jīng)完成薔薇屬植物農(nóng)藝性狀相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,包括香味[16,17]、葉色[18]、花色[19],花芽分化和發(fā)展[20～22,16],花瓣脫落[23～24]等;抗病相關(guān)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,包括黑斑病[29],白粉病[30],灰霉病[31,32]等;抗逆相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,包括抗氧化[33],抗寒[34～37],耐熱[38～39],耐鹽[40]等,除此之外,對(duì)寄主植物介導(dǎo)的病蟲害互作關(guān)系轉(zhuǎn)錄組也做了研究[41]。 這些轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)豐富了薔薇屬植物基因信息,為深入了解并利用基因信息進(jìn)行育種奠定了基礎(chǔ)。

3 代謝組學(xué)

代謝組學(xué)(Metabolomics)是分析內(nèi)源性或外源性小分子代謝物的學(xué)科,作為研究代謝物與其他代謝物之間復(fù)雜相互作用的工具,可直接反映復(fù)雜生物化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果,從而提供對(duì)細(xì)胞生理學(xué)多個(gè)方面的見解[42],目前已廣泛用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和微生物等諸多領(lǐng)域中,在篩選優(yōu)良品種或基因型、解析代謝途徑、評(píng)價(jià)基因改造效果、抗逆境研究、自然變異遺傳結(jié)構(gòu)分析等方面發(fā)揮重要作用[43]。

薔薇屬植物在不同生境、不同發(fā)育階段通過代謝產(chǎn)物的差異表達(dá)以滿足生命的正?；顒?dòng)。 研究差異代謝物不但能深入了解植物與環(huán)境互作、植物表型與生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)系,還能篩選有益品種用于生產(chǎn)。 Su 等采用超高效液相色譜—電噴霧質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(UPLC-ESIMS/MS)研究月季‘晨曦’花色變化機(jī)理,發(fā)現(xiàn)花變色是56 個(gè)化合物在異黃酮、類黃酮、黃酮、黃酮醇、苯丙素、花青素的富集途徑上差異表達(dá)造成的[44]。 Zhang 等采用非靶向液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)方法鑒定了繅絲花果實(shí)中的251 個(gè)代謝產(chǎn)物,篩選出42 種不同于無籽刺梨(R. sterilis S. D. Shi)的代謝產(chǎn)物,避免了混淆[45]。 還通過抗壞血酸特征離子和基于特征的分子網(wǎng)絡(luò)(FBMN)發(fā)現(xiàn)了17 個(gè)由抗壞血酸單元與有機(jī)酸、黃酮類化合物或葡萄糖醛酸偶聯(lián)形成的抗壞血酸(AA)衍生物,揭示了抗壞血酸衍生物不限于抗壞血酸糖苷,為繅絲花的開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)。 Elhawary等對(duì)黃木香(R. banksiae)和兩種小姐妹月季(R. polyantha)地上部分以及花揮發(fā)油成分進(jìn)行多變量數(shù)據(jù)分析和抗菌活性評(píng)估,結(jié)果表明3 個(gè)品種的揮發(fā)油主要成分基本一致,但含量不同,篩選出了含量最好品種[46]。 同一植物不同基因型其代謝產(chǎn)物不同,研究代謝物差異篩選出質(zhì)量更好、產(chǎn)量更高的作物,對(duì)增產(chǎn)增效具有重要指導(dǎo)意義。 Jiang 等采用UPLC-MS 鑒定和定量6 種基因型繅絲花果實(shí)的營(yíng)養(yǎng)代謝產(chǎn)物,共鑒定出723 種代謝產(chǎn)物。 比較分析表明,每個(gè)基因型都有一些特征代謝產(chǎn)物,黃酮類化合物、三萜類化合物和酚酸類化合物與果實(shí)提取物抗氧化能力顯著相關(guān)[47]。 與其他基因型相比,基因型Rr-7 和Rr-f 具有更大的藥用和功能食品應(yīng)用潛力,為開發(fā)新的基因型功能性食品提供了有益信息,也為植物育種確定最佳基因型。

植物響應(yīng)逆境脅迫時(shí)會(huì)通過代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控產(chǎn)生一系列適應(yīng)環(huán)境的差異代謝物以抵御生物、非生物脅迫。 Lv等對(duì)叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)誘導(dǎo)‘紫枝’玫瑰(R. rugosa ‘Zizhi’)對(duì)舞毒蛾的抗性研究表明,接種AMF 可促進(jìn)玫瑰葉片茉莉酸、脫落酸、黃酮類化合物的積累,抑制糖苷類化合物的積累,從而抑制蟲的生長(zhǎng)來提高玫瑰的抗病性,為菌根真菌在植物病蟲害防治中的應(yīng)用提供了參考,為菌根—植物—昆蟲相互作用研究提供了依據(jù)[48]。 陳宇春等研究月季響應(yīng)灰霉菌侵染代謝調(diào)控機(jī)制,對(duì)侵染灰霉病的‘月月粉’花瓣進(jìn)行代謝組分析,結(jié)果表明差異代謝物主要顯著富集在代謝途徑、抗生素生物合成、氨基酸生物合成、ABC 運(yùn)輸、次生代謝產(chǎn)物生物合成、不同環(huán)境中的微生物代謝、類黃酮生物合成、黃酮和黃酮醇合成等通路,大部分參與蛋白質(zhì)的合成,為植物抗逆研究提供理論依據(jù)[49]。

4 蛋白質(zhì)組學(xué)

蛋白質(zhì)組(Proteomics)是應(yīng)用各項(xiàng)技術(shù)研究蛋白質(zhì)在細(xì)胞、組織或生物體中表達(dá)、修飾和相互作用的學(xué)科[50]。 蛋白質(zhì)位于中心法則最末端,是基因發(fā)揮作用,進(jìn)行生命活動(dòng)的最終執(zhí)行者,通過對(duì)蛋白質(zhì)組研究,可探索基因表達(dá),表達(dá)后修飾、亞細(xì)胞定位、蛋白質(zhì)相互作用等實(shí)際情況,為篩選及確定基因功能,植物抗逆境等研究提供更精確的技術(shù)手段。

目前對(duì)薔薇屬植物蛋白質(zhì)組的研究主要集中于生命活動(dòng)的形成、抗逆境條件下蛋白差異表達(dá)等。 自2014 年Song 等用定量蛋白質(zhì)組學(xué)研究1-甲基環(huán)丙烯(1-methylcyclopropene, 1-MCP)對(duì)花瓶插期影響以來,進(jìn)行了越來越多的蛋白質(zhì)組學(xué)研究[51]。 馬文濤利用TMT 蛋白質(zhì)組定量分析對(duì)無籽刺梨表皮毛形成與發(fā)育研究,共鑒定到差異表達(dá)蛋白277 個(gè),其中12 個(gè)蛋白與內(nèi)源激素合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān),表明多個(gè)基因家族及內(nèi)源激素參與調(diào)控不同表皮毛的形成與發(fā)育[52]。 Lu 等研究月季‘薩曼莎’(R.hybrida ‘Samantha’)花瓣在衰老過程中蛋白質(zhì)組和泛素組變化,發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)降解和自噬在花瓣衰老過程中起重要作用[53]。 此外,還發(fā)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)與花瓣衰老相關(guān),并受到泛素化的調(diào)控,為在翻譯后水平上解析月季花瓣衰老提供新的觀點(diǎn)。 Soundararajan 等研究鹽脅迫下硅對(duì)月季蛋白質(zhì)組的影響,結(jié)果表明施硅處理改善了鹽脅迫引起的葉片焦化和氣孔損傷,減少了氣體交換、光合色素、脂質(zhì)過氧化速率和活性氧類的積累[54]。 差異表達(dá)蛋白質(zhì)在功能上分為6 組:光合作用、碳水化合物/能量代謝、轉(zhuǎn)錄/翻譯、應(yīng)激/氧化還原穩(wěn)態(tài)、離子結(jié)合和泛素化,揭示了鹽脅迫下月季因外源硅而適應(yīng)的潛在機(jī)制。 Muneer 等利用差異蛋白質(zhì)組學(xué)分析鑒定4 個(gè)月季品種(2 個(gè)抗蚜,2 個(gè)敏感)對(duì)蚜蟲的防御機(jī)制,發(fā)現(xiàn)與泛素代謝和應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的蛋白質(zhì)因蚜蟲侵襲而差異表達(dá),解釋月季抗蚜和敏感品種的分子機(jī)制[55]。

5 表觀基因組學(xué)

表觀基因組學(xué)(Epigenomics)又叫表觀遺傳修飾,是在不改變DNA 序列情況下研究基因組化學(xué)修飾和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化對(duì)基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的學(xué)科。 表觀遺傳調(diào)控包括DNA 甲基化、染色質(zhì)重塑、miRNA、組蛋白修飾以及RNA 修飾等,表觀遺傳修飾已在不同的作物中得到廣泛研究[56]。 在薔薇屬植物中,Xu 等首次進(jìn)行了表觀遺傳研究,對(duì)‘假日美景’(R.hybrida cv. ‘Carefree Beauty’)進(jìn)行細(xì)胞分化中甲基化敏感AFLP 分析,結(jié)果表明未分化愈傷組織誘導(dǎo)過程中甲基化改變最大,體細(xì)胞胚胎發(fā)生和體外器官發(fā)生甲基化模式不同,在體細(xì)胞胚胎發(fā)生過程中,外胞嘧啶發(fā)生了巨大的去甲基化事件[57]。 DNA 甲基化在花瓣雄蕊發(fā)育中的重要作用也有報(bào)道,Ma 等研究DNA甲基化在雄蕊中的發(fā)育過程中的作用,結(jié)果表明雌蕊發(fā)育過程中低溫處理導(dǎo)致啟動(dòng)子中CHH 環(huán)境的高甲基化,高甲基化啟動(dòng)子下調(diào)RhAG 基因的表達(dá),從而增加花瓣數(shù)量。 DNA 甲基化在遺傳中具有高度穩(wěn)定性,鑒定與性狀相關(guān)的DNA 甲基化在表觀育種中對(duì)于改良薔薇品種具有重要意義[58]。

miRNA 在基因表達(dá)調(diào)控和表型控制中也起重要作用。 在薔薇中,共報(bào)告了500 多個(gè)保守的miRNA 和50 多個(gè)新的miRNA[59～62]。 Kim 等在4 個(gè)種(3 個(gè)薔薇雜交種‘Vital’、‘Maroussia’、‘Sympathy’和1 個(gè)玫瑰種R. rugosa‘Thunb Haedang’),鑒定出花發(fā)育過程中242 個(gè)保守和25 個(gè)新的靶向參與花發(fā)育的主要轉(zhuǎn)錄因子家族miRNA[59]。 Pei 等對(duì)月季‘薩曼莎’開花早期花瓣中的miRNA 分析,確定了33 個(gè)保守miRNA 和47 個(gè)新miRNA,28個(gè)保守和22 個(gè)新型miRNA 在乙烯處理后差異表達(dá),表明它們?cè)谝蚁┮蕾囆曰ɑ馨l(fā)育中發(fā)揮作用[60,61]。 更進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),乙烯通過微調(diào)miRNA164/RhNAC100 模塊調(diào)節(jié)細(xì)胞膨脹,為NAC 轉(zhuǎn)錄因子的功能提供了新的見解(2013 b)。 此外,Guo 等利用玫瑰根、葉、花瓣、花粉、雄蕊等不同組織對(duì)其進(jìn)行了全局小RNA 譜分析,共報(bào)道了248 個(gè)保守miRNA,這248 個(gè)miRNA 與Kim 和Pei 兩項(xiàng)研究鑒定的miRNA 不同,轉(zhuǎn)錄組比對(duì)鑒定出25 個(gè)保守miRNAs 前體和22 種新型miRNAs[62]。

6 多組學(xué)

單一組學(xué)法分析一個(gè)層面產(chǎn)生差異的生物學(xué)過程的信息,植物生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖等生命活動(dòng)是一個(gè)極其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),單一組學(xué)研究不足以精確表達(dá)生命的過程。多組學(xué)(Multi-omics)聯(lián)合分析通過整合多個(gè)組學(xué)水平的信息,對(duì)基因、mRNA、蛋白、代謝等多個(gè)層面進(jìn)行整合,構(gòu)建全面的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),從而在多個(gè)層次上解析各分子之間的調(diào)控及因果關(guān)系,更全面解析生命的過程。

利用多組學(xué)聯(lián)合分析,解析與農(nóng)藝性狀相關(guān)的調(diào)控機(jī)制,可為分子育種提供指導(dǎo)。 Wang 等研究生長(zhǎng)素和糖對(duì)月季分枝拮抗作用的分子機(jī)制,結(jié)果表明蔗糖和生長(zhǎng)素的拮抗作用主要針對(duì)氨基酸代謝、硫酸鹽代謝、核糖體生物合成、核酸代謝和植物激素信號(hào)傳導(dǎo)等幾個(gè)重要生理過程[63]。 Lu 等對(duì)微型月季‘海神王’及其顏色突變品種‘皇后’花期花青素生物合成途徑關(guān)鍵基因和代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析,共鑒定出190 個(gè)類黃酮相關(guān)代謝產(chǎn)物和38 551個(gè)獨(dú)特基因[64]。 45 種黃酮相關(guān)代謝產(chǎn)物含量和15 個(gè)參與黃酮途徑基因表達(dá)品種間差異顯著,30 個(gè)轉(zhuǎn)錄因子在品種間差異表達(dá),13 個(gè)花色苷生物合成相關(guān)基因及8 個(gè)TT 12 基因在突變體中呈上調(diào)趨勢(shì),為深入了解微型月季花色素苷生物合成途徑的主要基因和代謝產(chǎn)物提供了重要依據(jù)。 馬文濤對(duì)無籽刺梨表皮毛特征及果柄刺形成調(diào)控基因進(jìn)行篩選,篩選出可能參與抑制果柄刺形成基因RchiOBHm_Chr2g0159921,并進(jìn)行基因克隆,異源轉(zhuǎn)化后證明其對(duì)表皮毛形成具有抑制功能[52]。

逆境脅迫下,多組學(xué)聯(lián)合分析也能探索植物病蟲害防御機(jī)制,篩選抗病抗逆候選基因,為育種提供理論依據(jù)。 陳宇春對(duì)‘月月粉’響應(yīng)灰霉菌侵染進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組代謝組關(guān)聯(lián)分析,結(jié)果表明差異基因和差異代謝物在同一個(gè)通路中不呈正比分布,差異代謝物主要富集在氨酰基-tRNA、氨基酸、纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸等蛋白類物質(zhì)生物合成通路[50];差異表達(dá)基因主要富集在MAPK 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、苯丙烷生物合成、光合作用、天線蛋白、植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等通路,說明‘月月粉’響應(yīng)灰霉菌侵染的防御機(jī)制是多種代謝物和通路相互作用的結(jié)果。 Gao 等對(duì)長(zhǎng)尖葉薔薇(R.longicuspis)感染玫瑰卷葉螟后的防御調(diào)控機(jī)制進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽代謝和硫代葡萄糖苷生物合成途徑顯著富集[65]。 MAPK 信號(hào)傳導(dǎo)參與了對(duì)該昆蟲的抗性反應(yīng),為薔薇抗蚜提供了候選基因和代謝產(chǎn)物,為探索薔薇屬植物蚜蟲抗性的分子調(diào)控機(jī)制和抗蚜育種提供了理論依據(jù)。 Yang 等研究斑點(diǎn)單囊殼(Podosphaera pannosa)感染和外源水楊酸處理后月季轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)變化。 結(jié)果表明在二者雙重誘導(dǎo)下,月季對(duì)MAPK 級(jí)聯(lián)反應(yīng)、植物—病原體相互作用途徑激活和抗性(R)基因表達(dá)一致,三萜類化合物生物合成、谷胱甘肽代謝和亞油酸代謝與對(duì)照相比顯著增加,表明這些途徑和代謝物參與了對(duì)斑點(diǎn)單囊殼感染的抗性[66]。 綜上,轉(zhuǎn)錄組從基因?qū)用孢M(jìn)行分析,代謝組是基因與表型的橋梁,轉(zhuǎn)錄組+代謝組多組學(xué)分析,可以同時(shí)從原因和結(jié)果兩個(gè)層面深度解析生物系統(tǒng)宏觀發(fā)育過程,更加精確篩選目的基因。

7 存在問題與展望

組學(xué)技術(shù)的發(fā)展,為深入研究薔薇屬植物物種起源、物種鑒定、分子標(biāo)記開發(fā)、新基因挖掘、基因蛋白相互作用、蛋白表達(dá)調(diào)控、基因與環(huán)境相互作用等提供了有力手段,有助于我們更好了解薔薇屬植物并指導(dǎo)實(shí)踐。 薔薇屬植物物種豐富,為人們生活帶來重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和觀賞價(jià)值,深入研究薔薇屬植物,將能更好利用薔薇屬植物服務(wù)生活,將能培育優(yōu)良薔薇屬植物品種。 從目前研究成果來看,各組學(xué)技術(shù)在薔薇屬植物研究中取得很多進(jìn)展,然而也存在一些不足,主要體現(xiàn)在:(1)目前研究主要集中在基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)、表觀修飾等,在多組學(xué)技術(shù)聯(lián)用方面的研究仍然較少,在表型組學(xué)、泛基因組甚至超泛基因組的研究還處于空白階段;(2)目前利用組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分子輔助育種仍然處于空白階段,薔薇屬植物仍然通過傳統(tǒng)雜交手段育種,育種效率低下,育種速度慢,分子輔助育種技術(shù)及分子編輯技術(shù)應(yīng)用于精確育種仍然處于空白階段;(3)目前關(guān)于葉綠體基因組的研究主要集中于序列和結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)發(fā)育、DNA 條形碼、SSR 序列等研究,關(guān)于用作生物反應(yīng)器在葉綠體遺傳轉(zhuǎn)化中研究處于空白階段。隨著技術(shù)的發(fā)展,更多的組學(xué)數(shù)據(jù)被公布,將有助于解決目前存在的問題。 薔薇屬組學(xué)目前雖然取得一定成果,但仍然有很長(zhǎng)的路需要走,隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展,必將實(shí)現(xiàn)對(duì)薔薇屬植物更加深入和全面了解,實(shí)現(xiàn)性狀精確標(biāo)記及分子育種建模,指導(dǎo)分子編輯技術(shù)精確應(yīng)用于品種改良及品種選育。