菊花（Chrysanthemum morifolium）原产中国，已有3000多年的栽培历史，是我国十大传统名花和世界四大切花之一。菊花品种丰富，可作为观赏、茶用、药用等栽培，在花卉产业中占据重要地位；但其起源尚无定论，是同源还是异源多倍体亦存在争议。

近日，南京农业大学陈发棣团队在Nature Communications上发表了题为Analyses of a chromosome-scale genome assembly reveal the origin and evolution of cultivated chrysanthemum的研究成果。该研究破译了六倍体栽培菊花基因组，报道了国际上首个节段异源多倍体基因组（segmental allopolyploid），深入探究了栽培菊花的起源和育种历史，也为下一步解析菊花重要园艺性状（花型、花色、株型、抗逆等）形成的分子机制和定向育种奠定了基础。

团队前期与中国中医研究院等单位合作完成了菊花基因组潜在供体--菊花脑（Chrysanthemum nankingense）全基因组的组装，公开了首个菊属植物基因组（Molecular Plant, 2018）；但由于菊花为六倍体（2n = 6x = 54），基因组巨大（~ 9 Gb）、具有高重复（>80%）、高杂合（>3%）的特点，且经过人工反复杂交选育，导致其基因组组装难度大，一直未被解析。针对以上难点，团队首先通过花粉蒙导法获得了园林小菊‘钟山紫桂’的单倍体植株（n = 3x = 27），而后采用PacBio三代超长序列（120.70×），结合Illumina二代数据（126.4×）和10X Genomics（107.20×）数据校正，组装出8.15 Gb的菊花基因组，并基于HiC（118.50×）数据将96.46%的基因组序列挂载到菊花27条染色体上。基因组contig N50达到1.87 Mb，经LAI（27.99）评估达到gold级别。进一步通过整合从头预测、同源预测和转录数据，注释出138,749个蛋白编码基因，最终获得了菊花染色体级别的高质量参考基因组。另外，我们重新测序并组装了染色体水平的菊花脑基因组（3.09 Gb），其与菊花基因组的共线性分析呈清晰的1:3关系（图1）。

图1 菊花基因组及其与菊花脑基因组的共线性

通过比较基因组学分析，发现菊科与伞形科在约92.4百万年前（Mya）分化，菊科中菊属与蒿属在约6.5 Mya分化。利用高质量基因组，我们发现并明确了菊属植物共享的WGT事件（~ 6 Mya），以及菊花特有的WGT事件（~ 3 Mya）和菊科共享的WGT事件（~ 57 Mya），表明菊花在核心真双子叶植物共享的WGT-γ事件（~ 122-164 Mya）后，又经历了3次WGT事件。而近期（< 0.5 Mya）LTR反转座子的爆发（占据近80%的基因组序列），最终塑造了菊花的大基因组（图2）。

图2 比较基因组学分析菊花基因组的进化

为了探寻栽培菊花的潜在供体植物及其基因组构成，我们对分布在中国的12个菊属野生种进行了重测序。系统进化树、特异性序列、identity score（IS）和渐渗分析结果表明菱叶菊（Chrysanthemum rhombifolium）和南京野菊（Chrysanthemum indicumNanjing）对于栽培菊花基因组的贡献最大。进一步通过染色体特异性短片段、Smudgeplot及荧光原位杂交（FISH）实验，并结合前期研究证据表明菊花基因组主体为“AA′B”结构（图3），包含大量菊属野生种基因组片段渐渗的节段异源多倍体（segmental allopolyploid）。

图3 菊花的基因组构成

基于基因组序列，团队利用BSA+WGCNA方法鉴定了多个菊花花型发育调控基因（图4）。通过对CCD4a基因的系统发育分析，发现中国传统菊和园林小菊、日本传统菊及欧美切花菊具有独立的花色育种历史；这也与菊花起源于中国，最初为黄色，至唐代开始出现少量白色、紫色新品种并传入日本，至明清传入欧洲的历史文献相符。

图4 菊花观赏性状（花型、花色）的基因挖掘与分析

南京农业大学菊花团队宋爱萍副教授、苏江硕博士、王海滨副教授、诺禾致源张钟仁、中国农科院基因组所张兴坦研究员为该论文的共同第一作者，菊花团队陈发棣教授、蒋甲福教授、陈素梅教授为共同通讯作者。比利时根特大学Yves Van de Peer教授，海南大学陈飞教授及菊花课题组部分师生参与了研究工作。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家大宗蔬菜产业技术体系、江苏省自然科学基金和江苏省种业振兴揭榜挂帅等项目的资助。