菊花是我國的傳統名花，兼具觀賞、食用、茶用、藥用等多用途。食用、茶用和藥用菊花常被稱作功能菊花。菊花中含有大量的具有保健功能的生物活性化合物，尤其是黃酮類化合物。研究表明黃酮是菊花中含量最豐富的類黃酮，具有消炎、抗氧化和抗過敏等功效。但菊花群體中黃酮的積累存在廣泛的自然變異。因此，解析菊花黃酮自然變異背后的分子機理，有助于加速功能菊花品質的改良和新品種培育。

近日，北京市農林科學院草業花卉與景觀生態研究所菊花團隊聯合中國農業大學園藝學院馬超團隊在New Phytologist（中科院1區top，五年影響因子10.2）發表了題為“A natural variation of flavone synthase II gene enhances flavone accumulation and confers drought adaptation in chrysanthemum”的研究論文，該研究利用代謝組和全基因組關聯分析發現野菊群體中黃酮含量的自然變異主要由一個新近復制的黃酮合酶II基因CiFNSII-1.2決定。

該研究在對菊科種質資源黃酮含量進行了系統評價的基礎上，發現野菊的黃酮含量顯著高于菊科其他種。通過進一步對我國分布的116份野菊生態型的黃酮含量進行評價，發現其黃酮含量存在顯著的自然變異。為解析黃酮含量自然變異背后的分子機理，構建了野菊和菊花腦圖形基因組，并通過SV-GWAS（基于結構變異的全基因組關聯分析）在四號染色體上鑒定出了一個與黃酮含量顯著關聯的SV位點，該位點包含一個CiFNSII-1.2基因，該基因的存在和缺失與野菊群體中的黃酮含量顯著關聯。野菊在進化過程中出現了三個FNSII基因：CiFNSII-1.1，CiFNSII-1.1L和CiFNSII-1.2，進化樹分析結果顯示只有CiFNSII-1.2與高黃酮野菊的進化有關。表達分析結果顯示CiFNSII-1.2只在高黃酮野菊群體中被檢測到，而CiFNSII-1.1在黃酮含量差異野菊群體中的表達沒有顯著差異（Fig.1）。

Fig.1 CiFNSII-1.2位點結構變異與野菊黃酮含量相關

CiFNSII-1.1和CiFNSII-1.2蛋白功能分析表明，CiFNSII-1.2的催化效率顯著高于CiFNSII-1.1。CiFNSII-1.2和CiFNSII-1.1在催花效率上的差異主要是由于第246位和261位兩個氨基酸突變造成的。體外酶活和微量熱泳動實驗結果表明I246或E261作為酶活性分子開關，能夠恢復低效酶CiFNSII-1.1的催化活性和親和力。分子動力學模擬結果表明在近生理條件下，I246或E261影響F-G區（201-265位殘基）的穩定性和底物通道孔徑，增強F-G區的構象可塑性優化底物通道動態，是CiFNSII-1.2高催化活性的結構基礎。

Fig.2 決定黃酮合酶FNSII催化活性的兩個關鍵氨基酸

轉基因實驗表明了CiFNII-1.2對轉基因株系黃酮積累的影響顯著大于CiFNSII-1.1株系，說明CiFNSII-1.2對類黃酮代謝流的重定向具有更強的調控能力。

Fig.3 野菊CiFNSII-1.1/CiFNSII-1.2過表達和CiFNSII-1.1/CiFNSII-1.2 RNA干擾株系類黃酮含量

基因進化起源證據表明FNSII-1.1存在于所有菊科物種，是黃酮合成的祖先型基因。FNSII-1.2由FNSII-1.1復制產生，FNSII-1.2進化事件與黃酮含量富集具有時空耦合性。CiFNSII-1.2基因位點在半干旱區出現的頻率達59%，顯著高于半濕潤區（27.8%）和濕潤區（8.3%）。群體分化指數Fst和π比率分析表明SV_Linarin區域的結構變異受干旱環境選擇驅動?。干旱脅迫實驗進一步驗證了CiFNSII-1.2-RNAi植株和CiFNSII-1.2缺失野菊生態型更容易受干旱影響。

Fig.4 菊花中CiFNSIIs的進化關系和干旱適應

綜上所述，研究明確了菊花中黃酮含量自然變異的分子機理和干旱驅動的黃酮合成進化機制，基于鑒定的關鍵基因CiFNSII-1.2開發分子標記篩選高黃酮含量野菊種質作為育種材料，將推動功能菊花育種從經驗導向向精準設計的范式轉變，也為功能菊花的基因資源挖掘和精準改良提供新策略。

中國農業大學園藝學院博士研究生羅嘉翼、北京市農林科學院草業花卉所羅昌助理研究員和中國農業大學園藝學院博士研究生韓明政為本論文共同第一作者，中國農業大學園藝學院馬超教授為論文通訊作者。北京市農林科學院草業花卉所黃叢林研究員參與了本研究。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和北京市農林科學院財政項目的資助。

https://doi.org/10.1111/nph.70255