破译“花中皇后”多姿密码：开启“按需设计”育种之路
破译“花中皇后”多姿密码：开启“按需设计”育种之路
“唯有此花开不厌，一年长占四时春。”在“花中皇后”月季这份人们习以为常的美丽背后，蕴藏着一部长达两千年、交织着东西方文明邂逅与无数育种家智慧的杂交育种史。如今，科学家们正试图用最前沿的基因组学技术，解读这部写进月季DNA里的漫长史诗。
蔷薇亚属种质资源。中国农科院基因组所供图
近日，《自然—遗传》在线发表中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）联合华中农业大学、佛山鲲鹏现代农业研究院，青岛农业大学等完成的研究论文。该研究构建了全球首个单倍型解析月季泛基因组图谱，系统解析了蔷薇亚属种质资源，有望推动月季育种从传统经验模式向精准设计跨越，开启产业高质量发展的“第二次育种革命”。
从“法兰西”传奇到育种“迷宫”
月季属于蔷薇科蔷薇亚属，其栽培史长达两千年，但现代月季的序幕，直至1867年才由第一个品种“法兰西”正式拉开。论文共同通讯作者、中国农业科学院深圳农业基因组研究所（以下简称基因组所）研究员武志强告诉《中国科学报》：“‘法兰西’这个品种的诞生是月季育种史的关键转折点。19世纪中期，欧洲的杂交四季月季花期有限，而从中国传入欧洲的茶香月季虽能连续开花但耐寒性差。法国育种家吉洛意外发现的‘法兰西’，完美融合了两者优势，兼具高心卷边花型、浓郁香气、连续开花能力和较好的耐寒性。”
“法兰西”的意义远不止于一个优秀品种。武志强指出，它是现代月季的“奠基者”，不仅开创了东西方月季杂交的育种方向，后续多数现代月季都有其遗传痕迹，更证实了中外月季杂交的可行性。
一朵直径约9厘米的“法兰西”月季。中国农科院供图
研究团队从分子层面证实了这段历史。“我们将‘法兰西’精准解析为三倍体，”论文第一作者、青岛农业大学教授张晓妮解释道，“这项发现首先证实了‘法兰西’是异源三倍体，它的亚基因组组成融合了中国古老月季和欧洲古老月季的遗传物质，这与历史上‘中国古老月季与欧洲古老月季杂交’的猜想高度契合，为‘现代月季起源于东西方月季杂交’提供了最直接的分子证据。”
“蔷薇亚属中国组是宝贵的资源。它起源于中国，有很多独特的变异。中国组种质有很多独特的性状，比如变色，小花等。这让我们看到中国组的种质还没有被充分应用到育种中，未来充分利用这些种质对于月季的新种质创新很重要。”张晓妮说。
然而，“法兰西”这座里程碑之后，月季育种却似乎步入了一个缓慢而低效的漫长隧道。论文共同通讯作者、华中农业大学教授傅小鹏介绍，从‘法兰西’以后，月季育种进入了一个相对缓慢的时期。每年产出的新品种是越来越多的，可是要达到世界公认流行度的品种是比较稀少的。
由于这些育种往往是杂交育种，要获得目标性状的新种质，靠经验、看运气的成分比较高，需要的周期也是很长的。
当前，许多作物已进入基于基因组选择的智能育种时代，而月季却滞后许多。武志强分析了造成这一问题的核心遗传学障碍：月季基因组高度杂合、倍性多样且种间分化显著，难以精准定位优良性状基因；缺乏系统遗传变异图谱，育种家只能靠经验加试错法筛选，效率低下；优良性状多由多基因控制且存在基因互作，传统育种难以精准聚合优良性状。
“这三大障碍，如同一个复杂的遗传迷宫，阻碍着育种家高效培育出融合多种优良性状的突破性品种。”武志强说：“我们发起这项研究的核心初衷，是打破月季育种‘靠经验、碰运气’的传统模式，希望让育种从‘经验驱动’转向‘基因驱动’。”
“跳跃的基因”让月季多姿多彩
要破解迷宫，必须先有一张精细的地图。研究团队的目标，便是绘制一张能够涵盖蔷薇亚属核心遗传多样性的泛基因组图谱。武志强指出，最大的挑战并非技术本身，而是“应对月季基因组的复杂性与多样性”。
第一个难点是“代表性问题”。傅小鹏解释说：“我们要筛选出26份代表性材料，覆盖蔷薇亚属9个分组及各类月季类型。”难点在于如何确保所选种质能全面反映蔷薇亚属的遗传变异，避免泛基因组出现偏差。
更大的挑战在于“解读”它们提供的海量、异构的遗传信息。研究最终构建了一个包含55个高质量单倍型的泛基因组。“我们一遍又一遍的内部‘找茬’，摸索出了一套最适合蔷薇亚属的单倍型基因组组装方案。”张晓妮说。
然而，构建出复杂的“图泛基因组”只是第一步，如何解读它成了新的拦路虎。兰岚说：“月季作为一个充分利用多种育种手段的园艺作物，其生物多样性十分庞大，导致我们几乎无法直接解读这个图泛基因组。可以说，蔷薇亚属的复杂程度是人类基因组的4倍。目前现有的计算资源和算法尚不能完全支持科学家直接解读人类图泛基因组，更何况蔷薇亚属。”面对这个超级密码本，团队另辟蹊径，直接从变异作为锚点，最大限度的在不损失原有遗传多样性的基础上整合所有变异信息，进行后续分析。
这项浩大工程带来了惊人的发现。研究首次在单倍型水平构建了精细的变异图谱，发现约70%的结构变异与转座元件相关。“这个比例之高超出了我们的预料。”武志强说，转座元件是月季基因组结构变异的核心驱动力。
转座元件被称为“基因组中的跳跃基因”，它可以在基因组中移动，从而引发基因的插入、缺失、倒位等结构变异。而这些结构变异，正是月季遗传多样性形成的重要原因。这说明，转座元件在月季的进化过程中，扮演了“创新者”的角色，使得月季如此多姿多彩。
开启“按需设计”的未来之路
攻克如此复杂的课题，离不开跨学科、跨国界的精诚合作。该研究由国内外多家单位共同完成。论文共同通讯作者、基因组所研究员潘玮华强调了合作的重要性：“有利于优势互补，提高效率。比如基因组所发挥生物信息学分析的核心优势，负责基因组测序与数据解析；华中农大凭借丰富的月季种质资源和成熟的实验平台，承担性状验证与育种相关实验；法国RDP实验提供法兰西形成历史的建议等。”这种协同作战，整合了从基因组学到园艺学的多领域优势，共享了全球的资源与智慧。
研究成果的发表过程本身也是一次淬炼。张晓妮坦言：“投稿过程很煎熬。审稿人的意见也确实帮助我们改进了文章的整体水平。”审稿人主要关注两点：基因组组装质量，以及为何不直接以图泛基因组为基础进行分析。
团队在有限时间内紧急补充了新数据，进一步夯实了结论；清晰阐释了蔷薇亚属图泛基因组超高的复杂度，以及他们所采用的分析方法如何同样高效地捕捉了核心遗传多样性。“审稿人的关注推动我们做出了更严谨、更清晰的阐述。”杨映雪说。
这项基础性研究如何真正改变产业，开启“第二次育种革命”？武志强说：“真正开启月季的‘精准育种’，核心是实现‘基因可预测、性状可设计、育种可高效’。”
他举了一个例子，假设想要培育一种“花期长、重瓣、花瓣变色、抗白粉病”的月季，首先，可以选择保证连续开花的种质，再筛选重瓣花型的个体，然后通过调控基因表达实现花瓣从橙到红的变色，最后导入抗白粉病基因。
“通过这样的精准组合，就能培育出符合预期的理想月季，而这在传统育种中，是几乎不可能快速实现的。”武志强说。
短期来看，这项研究能够缩短育种年限；长期来看，随着更多关键基因的挖掘和解析，育种家将实现按需育种，培育出更多特色化、个性化的月季品种。“对消费者来说，未来能买到的月季品种会更多样，甚者可以创制一些新奇特的聚合性状种质。”潘玮华说。
展望未来，团队的目光已投向更广阔的野生资源。武志强表示，野生种质通常具备更为优良的抗性，所以未来将重点推进月季野生种质的纳入工作，进一步挖掘其中的优异抗性基因，这也是后续的核心研究方向。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41588-026-02569-z