北京时间9月2日深夜，国际学术期刊《细胞》（Cell杂志）在线发表了华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、园艺林学学院宁国贵教授团研究成果，题为“A de novooriginated gene drives rose scent diversification”（一个从头起源基因驱动了玫瑰香气的多样化）。

该成果揭示了自然界中一个全新基因“从零诞生”的多步骤过程，以及该基因对植物表型的影响机制。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。

植物历经漫长的适应性进化，催生出丰富多元的物种谱系。这些物种既共享植物界的核心生物学特征，又各自携带着独特的“遗传印记”——正是这份专属“血缘”，赋予它们精准适配复杂多变生态环境的能力。

然而，植物能否从头产生新基因，并将其成功整合进基因组，进一步塑造为“功能成熟”的基因单元，最终推动物种在进化历程中展现出差异化的表型特征？这是进化生物学领域长期悬而未决的重要问题。

新起源的谱系特异基因的进化驱动了玫瑰香气的多样化

发现新基因:

藏在蔷薇家族中的花香“调控师”

在对不同月季资源香气特征的研究中，科研团队聚焦木香花的两种香型变种，通过基因组成的精细对比，成功鉴定出一个全新基因SCREP。进一步研究发现，这一基因的诞生，是通过千百万年多步骤“拼装”而来。

大约6300万年前，同为蔷薇亚科物种的树莓里骤然出现了SCREP基因的外显子片段，但彼时，这些片段仅为沉默的“基因积木”，未形成功能序列，无法参与生理过程。大约1600万年前，随着蔷薇属物种植物的演化，这些零散的DNA片段在基因组中逐渐演变、整合与重组，最终构建出可编码蛋白质的完整基因框架——SCREP基因自此正式进入进化舞台，具备了发挥功能的基础结构。

仅有完整框架仍不足以让SCREP基因发挥其强大功能。研究人员发现，一段名为MITE的“跳跃基因”插入了SCREP的启动区域，如同为其装上“能量电池”。这一插入事件不仅使SCREP基因表达显著增强，还助力其在蔷薇家族的繁衍中实现代代遗传，甚至在部分个体基因组中复制出多个副本，扩大了基因的作用范围。

SCREP 基因在蔷薇属物种中的起源与固定

作用机理

SCREP如何精准调控月季花香？

丁香酚是部分玫瑰及芳香月季的核心物质，其合成过程依赖四个关键酶基因的协同作用——RbCOMT1、RbCCR1、RbEGS2和RbREF1。这四个基因如同花香“生产线”上的“核心元件”，SCREP基因则在这条生产线上扮演“精准调度员”的角色。一方面，它会抑制COMT、CCR、EGS这三个元件的活性，另一方面，它能激活REF1这一元件，从而精细调控丁香酚及其前体物质的积累。试验证明，SCREP的功能可整合到植物苯丙烷代谢网络，直接影响丁香酚的生物合成。

新起源的谱系特异性基因 RbSCREP 在丁香酚生物合成途径中发挥负调控作用

为验证SCREP基因功能在蔷薇家族中的保守性及在植物中的普遍性，研究团队进一步开展了跨物种实验：从木香花、月季、玫瑰、光叶蔷薇四种代表性蔷薇植物中提取SCREP基因，将其导入原本不含该基因的草莓与矮牵牛中。结果显示，导入SCREP基因的草莓、矮牵牛，其体内丁香酚含量均显著降低，证明SCREP是一个功能保守的“香气开关”，在不同植物中可稳定发挥作用。

此外，在涵盖野生种、古老栽培种及现代栽培种的香气成分分析中，研究团队还发现一个规律：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；而那些缺少SCREP基因，或其启动区域未插入MITE“跳跃基因”（即无“能量电池”）的野生及栽培种，往往能释放更多的丁香酚挥发物质。这也表明，SCREP基因的有无及表达强度，正是塑造蔷薇属植物多样花香“性格”的核心因素之一。

该发现不仅为月季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：未来，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。

华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、园艺林学学院宁国贵教授为本论文的通讯作者，李亚军博士、李润慧博士、尚均忠副研究员、赵凯歌副教授为本论文共同第一作者。已毕业硕士研究生隋亚锜、武汉博瑞智客生物科技有限公司刘振华参与了研究，云南省农业科学院花卉研究所晏慧君研究员、华中农业大学包满珠教授、梁梅教授、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学重点实验赵乔研究员、美国康涅狄格大学生态与进化生物学系袁耀武教授为本研究提供了重要支持和宝贵意见。

文 | 尚均忠 李润慧 李亚军

编辑 | 匡敏

审校 | 徐行 晏华华 杨正莲 杜乂旻