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蓮隸屬于蓮科蓮屬，是最古老的雙子葉植物種屬之一。目前現存的蓮屬植物僅有兩個種：美洲黃蓮和亞洲蓮。美洲黃蓮與亞洲蓮在形態和地理分布上存在差異，亞洲蓮的花色為紅、粉色系，主要分布中國、印度等亞洲國家；美洲黃蓮的花色為黃色，主要分布在北美洲等地區。美洲黃蓮與亞洲蓮雜交產生可育后代，因此常用于亞洲蓮的品種改良，通過種間雜交，我國已經選育出一系列優良蓮品種。
近日，The Plant Journal在線發表了來自中國科學院武漢植物園和福建農林大學合作的題為“Comparative analyses of American and Asian lotus genomes reveal insights into petal color, carpel thermogenesis and domestication”的文章，該研究首次組裝了美洲黃蓮的完整基因組，揭示了美洲黃蓮與亞洲蓮花色差異、心皮產熱等性狀的形成機制。
本研究對美洲黃蓮進行全基因組測序，組裝獲得843 Mb基因組序列，掛載到8條染色體（2n=16），注釋31,382個蛋白質編碼基因。物種進化樹分析表明美洲黃蓮與亞洲蓮的分化時間大約在1386萬年以前。比較分析顯示美洲黃蓮和亞洲蓮的基因組具有保守的共線性，沒有大的染色體重排，存在29,533個結構變異。群體基因組分析顯示美洲黃蓮和亞洲蓮之間存在顯著差異。
花色是美洲黃蓮和亞洲蓮最顯著的表型差異，類胡蘿卜素和花青素素為控制美洲黃蓮和亞洲蓮花瓣顏色的主要色素。類胡蘿卜素和花青素生物合成途徑的結構基因在兩個物種之間比較保守，但在表達量上存在差異。花青素合成調控基因NnMYB5在美洲黃蓮與亞洲蓮中存在結構變異，該基因過表達可誘導花青素的積累。
蓮可通過心皮產熱保持授粉期花內溫度，其作用機制和生理功能一直未曾揭示。本研究發現替代氧化酶(AOX)、解偶聯蛋白(UCPs)及蔗糖代謝和運輸均參與了蓮心皮的產熱效應。在產熱過程中，長距離糖轉運蛋白SWEET基因高表達，說明心皮產熱的主要底物是來自葉片中的蔗糖。與不產熱的雄蕊相比，心皮的細胞增殖相關活性明顯增強，從而促進蓮花雌蕊先熟而防止自交。本研究為探究蓮兩個物種間的遺傳分化和變異提供了高質量的參考基因組，并揭示了花瓣顏色、心皮產熱和馴化的遺傳學基礎。
福建農林大學基因組與生物技術中心鄭平副教授，中國科學院武漢植物園孫恒助理研究員、劉娟助理研究員為論文共同第一作者。中國科學院武漢植物園楊美研究員和美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校Ray Ming教授為論文的通訊作者。該工作得到了中國科學院前沿科學重點研究計劃（QYZDB-SSW-SMC017）、福建農林大學啟動基金、中國科學院生物資源計劃(KFJ-BRP-007-009)，國家自然科學基金（31772353和31872136）的資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15753
圖1 美洲黃蓮基因組的序列特征及與亞洲蓮基因組的共線性比較。(A)美洲黃蓮的基因組特征。(B)植物系統發育樹推測美洲黃蓮與亞洲蓮的分化時間。(C)美洲黃蓮與亞洲蓮基因組的共線性比較。
圖2 蓮花的產熱效應。(A)四個連續晝夜蓮花內部和外界環境的溫差，藍色框表示采樣周期。(B)蓮花產熱涉及到的基因和過程示意圖。