杜鵑花屬（Rhododendron L.）是全球最大的木本植物類群之一，具有重要的園藝觀賞價值，被全世界植物學界公認為“高山木本花卉之王”，是我國的十大名花之一。杜鵑花，共包含近一千個種和三萬多個園藝品種，廣泛分布於北半球地區。中國是杜鵑花的起源地和分布中心，原產於中國的杜鵑花接近600種，占全世界杜鵑花種類的60%。充分利用我國豐富的種質資源，探索其重要性狀遺傳背景就顯得格外重要。一直以來，杜鵑花花色轉變遺傳機製的解析是杜鵑花種質創新研究的熱點。
近日，國際園藝學領域重要刊物 《Horticulture Research》在線發表了百姓彩票生物科學與技術學院和中科院植物所合作完成的題為Gapless genome assembly of azalea and multi-omics investigation into divergence between two species with distinct flower color的研究論文。該研究發布了杜鵑花 gapless 端到端基因組組裝，澄清了不同類型杜鵑花（黃色花的羊躑躅、紅色花的映山紅）基因組變異的特征，借助多組學係統生物學手段揭示了紅色係、黃色係間花色差異的基因表達調控基礎，識別了參與花色變異的關鍵調控因子。該研究為解析杜鵑花屬花色決定機製、理解快速種間花色轉變提供了重要參考，為觀賞園藝植物的花色研究提供了一個新的視角，為花色相關的遺傳改良和育種提供了關鍵的理論基礎。
作為觀賞園藝植物，杜鵑花具有極其多樣性的花色變異，以紅色、白色、黃色係為主，受到古今中外各界人士的欣賞和喜歡，白居易就曾讚美杜鵑，“回看桃李都無色，映得芙蓉不是花”。杜鵑花還具有廣泛的自然雜交和悠久的人工選育曆史，在世界範圍內建立了較高的知名度和龐大的產業鏈。在西方園林界，有一句名言一直被廣為流傳：“沒有中國的杜鵑花，就沒有西方園林的豐富多彩。”十九世紀初西方開始從我國引入杜鵑花，因其繁複的花色與優美的花型，一度引起了全球園林界的轟動。曆經近兩百年發展至今，杜鵑花的熱度仍舊不減當年，現在幾乎沒有西方園林造景不會栽植杜鵑花，私人庭院裏也處處可見杜鵑，可以說中國杜鵑花深刻地影響和塑造了西方園林界的發展與引種選育的方向。因為備受關注而持續百年地投入，英國愛丁堡皇家植物園占領了杜鵑花研究的高地，成為了現如今世界杜鵑花的學術中心。
近年來，杜鵑花被廣泛應用於我國的城鄉園林綠化和盆栽觀賞等方麵，是促進生態文明建設的重要一環。然而從杜鵑花產業發展角度看，我國杜鵑花仍存在著應用品種單一和依賴國外進口等問題，國內杜鵑花育種總體尚處於相對落後的起步階段。盡管有多達數萬個花色各異的栽培品種，杜鵑花花色形成遺傳機製的研究還非常欠缺，限製了杜鵑花高效育種體係的建立與完善，這在整個全球杜鵑花育種業內是普遍存在的問題。而從更宏觀的角度來看，現代育種學在經曆了馴化育種和遺傳育種時期之後，在分子生物學和基因組學助推之下，已經進入了分子育種時期。這無疑給中國杜鵑花的研究與應用提供了一個不可多得的契機，即利用分子育種的技術進步推動杜鵑花新一代育種的產業發展，從而達到世界杜鵑花研究應用的領先水平。
作為該研究的研究對象，羊躑躅是一種獨具特色的中國黃花杜鵑花，其於1832年最早被西方園林界引入，如今以它為親本選育的被歐洲園林界稱為“最美杜鵑”的雜交品種已遍布西方園林。除作觀賞植物之外，羊躑躅在我國還常作為一味中藥藥材使用，具有祛風除濕、定痛、殺蟲的功效。但長久以來，學術界在羊躑躅分子生物學領域上的研究一直都是相對滯後的。
該研究基於三代長讀長測序和Hi-C技術，獲得了羊躑躅杜鵑花端到端gap-less基因組組裝。該基因組組裝大小為653.46 Mb，99.48%的序列錨定到13條染色體上；該組裝具有顯著的連續性，contig N50長度為44.84 Mb，僅包含9個gap，含有41600個蛋白編碼基因，重複序列占基因組的53.48%。
該研究將羊躑躅（黃色花）與團隊先前報導的映山紅（紅色花）進行了深入的比較分析。結果表明，特定的LTR-RT家族（Gypsy）推動了物種間特異性序列的形成，並推動了廣泛地基因重複以及假基因化過程，這對認識物種之間的序列分化以及基因的命運研究具有參考價值。
通過整合基因組、轉錄組和代謝組學等多組學數據，該研究揭示出類胡蘿卜素和黃酮醇是黃色花形成的關鍵色素，黃色係中花青素合成相關結構基因家族經曆了顯著假基因化而收縮，而花青素被證實是紅色係花呈紅色的關鍵色素；同時，基於種間的時間序列基因共表達調控網絡比較分析，該研究揭示了花色差異相關的基因調控模式；黃花中，B3和ERF等轉錄因子家族主導了其特異的類胡蘿卜素和黃酮醇相關的等級性基因調控，而WRKY、ERF、WD40、C2H2、NAC等轉錄因子家族則主導了紅色花特異的花青素相關的等級基因調控模塊的形成。
百姓彩票生物科學與技術學院博士生聶帥為論文第一作者，毛建豐副教授和中科院植物所楊福生副研究員為通訊作者。百姓彩票趙世威、史天樂、田雪嬋、郭璟芳、嚴雪梅、包鈺韜、李智超、孔蕾、馬海瑤、陳朝陽和劉輝等同學為共同作者，來自瑞典和加拿大的合作者參與了該研究。該研究得到中國科學院A類戰略性先導科技專項“美麗中國生態文明建設科技工程”項目八“自然保護地健康管理與生態廊道設計技術”（XDA23080000）和第二次青藏高原科學考察研究（2019QZKK0502）等項目資助。
原文鏈接：https://academic.oup.com/hr/advance-article/doi/10.1093/hr/uhac241/6775201
