2025年4月，大理大学药学院、东北林业大学生命科学学院、中国人民解放军疾病预防控制中心合作在中科院一区TOP期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“Resolving floral development dynamics using genome and single-cell temporal transcriptome of ”的研究论文。本研究通过基因组学、转录组学、单细胞转录组学、空间质谱成像等多组学技术，完成了首个紫皮石斛染色体水平高质量基因组组装和紫皮石斛花单细胞图谱构建，系统解析了紫皮石斛花发育的分子调控机制，为紫皮石斛功能基因挖掘和分子育种奠定基础。
发表单位：大理大学药学院、东北林业大学生命科学学院、中国人民解放军疾病预防控制中心
发表期刊：Plant Biotechnology Journal
影响因子：10.5
发表时间：2025年4月
紫皮石斛（，齿瓣石斛）为药食同源的石斛品种，以其独特的药用价值和食用价值而闻名，其以茎条为紫红色；唇瓣白色，前端紫红色，边缘具复式流苏，唇盘具2个黄色斑块为显著特征。这些特征不仅是吸引传粉者的关键，也是观赏价值的核心来源。但紫皮石斛的高质量基因组仍为空白，且其复杂的花色图案（如黄色斑点和紫色尖端）以及花瓣边缘的流苏结构形成的分子机制尚不明确，阻碍了其定向育种与资源保护。
1.紫皮石斛高质量基因组组装与基因组进化
基于Oxford Nanopore长读长测序（67.07 Gb）与Hi-C（42.49 Gb）技术，组装构建了染色体水平基因组，并注释到32,759个蛋白编码基因。组装结果显示紫皮石斛基因组大小为1.11Gb，挂载到19条假染色体上，Scaffold N50为56.2 Mb（图1）。比较基因组分析揭示紫皮石斛基因组中有917个基因家族发生了扩张，而965个基因家族发生了收缩，扩张基因家族主要富集于次生代谢、花发育相关通路以及植物激素信号转导过程。Ks分析发现紫皮石斛经历了两次全基因组复制事件（WGD）：一次为大多数单子叶植物之间共享，另一次在所有现存的兰科植物之间共享。与花色（类胡萝卜素和花青素合成）及花器官形成（如MADS-box基因）相关的基因家族显著扩张，尤其是MADS-box基因和类黄酮合成途径基因（如），在石斛独特花型和代谢特征演化中起着关键作用。
图1 紫皮石斛基因组特征、进化分析、WGD事件分析
2.紫皮石斛花单细胞转录组图谱构建
作者对花芽期（S1）、流苏形成期（S6）和盛花期（S15）三个关键发育阶段进行了单细胞转录组测序，共获得31,511个高质量单细胞数据，通过UMAP降维和聚类分析，成功构建了包含11个细胞簇的单细胞转录组图谱，涵盖表皮细胞（EC）、维管束细胞（VB）、叶肉细胞（MC）、木质部（XY）、韧皮部（PH）、胚珠细胞（OV）、花药细胞（AN）、保卫细胞（GC）及增殖细胞（PC）。图2）。表皮细胞高表达蜡质合成基因（如），维管束细胞高表达激素转运基因（如）。簇6被鉴定为增殖细胞（PC），高表达细胞周期相关基因（如）。这一单细胞图谱为理解花发育过程中的细胞命运决定和形态建成机制提供了重要基础。
图2 紫皮石斛花的单细胞转录图谱
3.MADS-box基因的分类及时空表达
作者从紫皮石斛基因组中鉴定出59个MADS-box基因，这些基因被划分为Type I和Type II两大类。其中Type II基因进一步分为MIKCC和MIKCC*两个亚类，MIKCC亚类又包含12个亚家族（AGL2、AGL6、API/FUL、AG等）（图3）。与其他兰科植物类似，紫皮石斛中缺失了FLC、AGL12和AGL15亚家族。对MADS-box基因在花发育各个阶段的表达模式分析表明，这些基因可以分为三个不同的阶段：花序芽（S1-S5）、花前期（S6-S9）和开花期（S10-S15）。MADS-box基因的表达模式与ABCDE模型高度吻合：A类基因（如DedeAP1）在花被片中广泛表达，B类基因（AP3/PI）调控花瓣和唇瓣发育，C/D类基因（AG、STK）特异性表达于生殖器官（花柱），而E类基因（SEP）则参与所有花器官的协调发育。
图3 MADS-box基因的系统发育树及时空表达模式
四个AP3旁系同源基因中，DedeAP3-1和DedeAP3-2在萼片、花瓣和唇瓣中均表达，而DedeAP3-3和DedeAP3-4则特异性地在唇瓣中高表达（图3）。这种表达分化暗示了基因复制后的功能特化，可能是紫皮石斛唇瓣形态复杂性的分子基础。C类基因（如DedeAG1和DedeAG3）和D类基因DedeSTK主要在合蕊柱中表达。单细胞转录组数据进一步揭示了这些基因的细胞类型特异性表达。例如，DedeAP2-4、DedeAP3-2等基因在表皮细胞和维管束细胞中高表达；DedeAGL6和DedeAGL80在增殖细胞中活跃。研究还发现，紫皮石斛中多个MADS-box基因家族（如AP3/PI、SEP等）都经历了扩张，这可能是通过全基因组复制和串联复制实现的。
4.花唇斑点颜色形成的分子机制
本研究通过MALDI质谱成像和转录组联合分析，发现黄色斑点区域富集玉米黄质和紫黄质，其合成基因（如PSY2、BCH2）在表皮和维管细胞中特异性高表达；而紫色区域的花青素（如矢车菊素-3-芸香糖苷）则与OMT2、UGT72T7等基因的激活相关（图4）。花发育不同阶段的基因表达模式显示，参与花青素和类胡萝卜素生物合成的大部分基因主要在花发育的中晚期阶段强烈上调，单细胞转录组分析发现这些基因主要在表皮细胞和维管细胞中高表达。研究进一步构建了色素合成的转录调控网络，在紫皮石斛中共鉴定到1218个转录因子。共表达分析发现，MYB和bHLH转录因子家族成员（如DedeMYB305-1、DedebHLH104）与色素合成基因呈现强正相关（r>0.9），这些因子在花发育后期高表达，可能是花色形成的关键调控开关。相反，DedeMYB17和DedebHLH93等因子表现出抑制作用，暗示花色调控网络的复杂性,揭示了花色分化的时空调控机制。
图4 紫皮石斛中类黄酮和类胡萝卜素生物合成途径相关基因的表达模式
5.紫皮石斛花流苏结构的发育轨迹
紫皮石斛流苏结构的形成可能与唇瓣边缘多细胞毛状体的分化过程有关，毛状体由表皮细胞分化而来。作者通过表皮细胞再分群及伪时间分析，发现唇瓣边缘的毛状体分化由GLABRA1（GL1）和GLABRA3（GL3）等基因主导，其表达轨迹与KAS12、MADS6等基因同步，暗示脂质代谢和转录调控共同参与边缘结构的形成。EC_2和EC_3亚群被鉴定为毛状体前体细胞，而EC_0亚群则分化为保卫细胞（图5）。功能富集分析显示，这些基因显著参与“脂质合成”和“多细胞发育”通路，为解析兰花复杂表皮结构的分子机制提供了新线索。
图5 表皮细胞发育轨迹与流苏形成的候选基因
该研究利用多组学技术，系统解析了紫皮石斛花发育的分子调控机制。首次构建其高质量染色体水平基因组，揭示其经历两次关键的全基因组复制事件，驱动MADS-box基因（如B亚家族）及色素合成基因（BCH、OMT等）扩张，为花色和形态演化奠定基础。单细胞转录组分析鉴定出11种细胞类型，发现表皮细胞分化为毛状体或保卫细胞的轨迹，脂代谢基因（KAS12）与转录因子（MYB305）协同调控唇瓣边缘结构形成。MADS-box基因时空表达验证ABCDE模型：A/B/E类基因（AP1、SEP）调控花被片发育，C/D类基因（AG、STK）特异性激活于生殖器官。空间代谢组-转录组联合分析表明，黄色斑点由表皮和维管细胞中类胡萝卜素基因（PSY2、BCH2）驱动，紫色区域依赖花青素基因（OMT2、LDOX3）及MYB/bHLH转录因子（如MYB305-1）的阶段性调控。唇瓣毛状体形成由GL1、GL3主导。该研究阐明了紫皮石斛花复杂花器官发育和花色分化的遗传网络，为分子育种（花色改良、形态设计）提供靶基因。此外，多组学整合（基因组+转录组+单细胞转录组+空间代谢组）为紫皮石斛资源保护与利用建立多组学研究框架，也为其他非模式植物的复杂性状解析提供了研究范式。
