华中农业大学发表最新基因方面的Cell论文，揭秘玫瑰花香的来源

基因的出现归因于多种过程，包括基因复制 - 趋异、转座元件驯化、水平基因转移、基因融合与分裂以及从非编码序列中从头起源。尽管从头起源曾被视为罕见现象，但新出现的证据表明其发生频率相当高。然而，仅有少数研究报道了通过多个进化步骤从零开始构建基因的情况。此外，对于这些新形成的基因如何实现增强表达并融入现有的基因调控网络从而影响表型进化，我们的理解仍然有限。

2025 年 9 月 2 日，华中农业大学宁国贵教授团队（李亚军、李润慧、尚均忠、赵凯歌为共同第一作者）在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为：A de novo-originated gene drives rose scent diversification 的研究论文。

该研究发现了一个全新基因 SCREP 的“从零诞生”的多步骤过程，并证实了该基因可以显著抑制玫瑰花香的关键芳香物质——丁香酚的合成。该研究不仅为重新审视植物基因的起源机制提供了新视角，更为合成生物学领域从头设计新基因、改良生物性状开辟了新思路。

蔷薇属（蔷薇科）包括全球分布的 200 多个物种，迄今已从约 10 个野生祖源物种培育出超过 3.5 万种杂交栽培月季，其中大多数在香气特征方面存在劣势。主要由苯环类/苯丙素类化合物和萜类化合物构成的香气成分，在防御植食性动物、吸引害虫天敌以及促进植物适应多样化环境方面发挥着关键作用。植物通过释放苯丙烯类物质（例如丁香酚）吸引传粉者，并增强对真菌和细菌的抗性。研究表明，受寄生虫感染的蜜蜂更倾向于选择不含丁香酚的食物，这种偏好通过传粉者介导的选择压力影响着植物的花部性状演化。虽然多数蔷薇的香气以芳香族化合物（苯环类/苯丙素类）为主，但其香气多样化的遗传机制仍未得到充分阐明。

在这项最新研究中，研究团队完成了野生蔷薇亚种木香花（Rosa banksiae）的两个香型变种的染色体水平基因组组装，并对另外 40 份蔷薇种质进行重测序。通过对 100 多份蔷薇种质的基因组分析，研究团队发现了导致蔷薇谱系特异性新基因 SCREP 从头起源的多个进化步骤——

大约 6300 万年前，蔷薇亚科物种树莓中突然出现了一段舞功能的非编码的 DNA 序列，直到 1600 万年前，随着蔷薇属植物的烟花，这些零散片段逐渐演变为可编码蛋白质的完整基因框架，一个“跳跃基因”——微型反向重复转座元件（Miniature Inverted-repeat Transposable Element，简称为 MITE）插入了其启动子区域，提升了 SCREP 基因的表达水平 ，而 SCREP 基因抑制丁香酚的生物合成，其进化动态解释了不同蔷薇物种与栽培品种间的花香差异。

研究团队进一步在木香花、月季、玫瑰、光叶蔷薇这四种代表性蔷薇植物中提取了 SCREP 基因，将其转入不含该基因的草莓与矮牵牛中，结果显示，转入 SCREP 基因的草莓、矮牵牛的丁香酚含量均显著降低，从而证明了 SCREP 基因是蔷薇家族中一个功能保守的“香气开关”，在不同植物中可稳定发挥作用。

此外，研究团队还发现，SCREP 基因普遍存在于进化程度较高或经人工选育的蔷薇品种中，缺少 SCREP 基因或其启动子区域未插入“跳跃基因” MITE 的品种，往往能释放更浓郁的丁香酚香气。这表明了 SCREP 基因的有无及表达水平，是塑造蔷薇属植物花香多样性的核心因素（之一）。

该研究的亮点：

组装了两个高质量的蔷薇属植物木香花基因组，并分析了约 100 个蔷薇属基因组；

揭示了在蔷薇中从头起源一个新基因的多步骤过程；

招募到启动子区域的可移动 DNA 增强了分类群特异性基因表达；

分类群特异性基因调控丁香酚生物合成并驱动玫瑰花香的分化。

总的来说，这项研究为揭示基因从头起源机制、转座元件调控基因表达的作用以及分类单元限制性基因驱动表型多样化的进化机制提供了新见解。这些发现不仅为蔷薇（月季、玫瑰）花香性状的定向调控提供了理论依据，更具备广阔的合成生物学应用潜力，有望突破传统依赖已有基因进行改良组装的技术局限，通过从头创造新基因的方式，精准改良植物性状。