大蒜、洋葱、韭菜等都属于葱属植物，这类植物为人类提供了大量重要的蔬菜、药用植物以及花卉等生物资源。由于长期缺乏高质量的参考基因组，葱属植物的生物学研究与作物育种进程严重受到阻碍，其基因组进化及特殊气味的形成问题也一直困扰着学界。

北京时间11月7日，西北工业大学联合华大 研究院在国际期刊《自然—遗传学》发表洋葱发育机制最新研究成果。该研究基于华大自主研发的时空组学技术Stereo-seq，首次绘制了洋葱鳞茎组织不同发育阶段的时空图谱，揭示了葱属植物重要性状形成和演化的分子机制。该研究为了解葱属植物的基因组进化过程提供了线索，为推动葱属作物进入分子育种新阶段奠定了重要基础。

葱属植物具有两个典型的生物学特点：一是为植物提供化学防御的特殊辛辣气味，二是膨大的球茎能够为植物休眠渡过严苛的气候而储存水分和营养。本次研究从独特葱蒜气味和膨大球茎的角度系统解析了葱属这些重要性状形成和演化的分子机制。

研究团队选择了洋葱、大葱、大蒜3种最为常见的葱属植物，以及近亲品种百子莲作为外群，开展染色体级别的基因组解析工作，完成了四个物种的高质量基因组组装。通过进一步分析，研究发现了葱属植物复杂的基因组加倍历史，其很可能对葱属的巨大基因组和极高的物种多样性有重要贡献。此外，研究揭示了基因的拷贝增加和序列变化共同导致了葱属特有风味的形成。

为解析洋葱球茎膨大机制，研究团队借助华大时空组学Stereo-seq技术，对处于早、中、晚3个发育阶段的洋葱鳞茎组织进行分析，绘制了参与球茎膨大基因通路的时空全景图。基于此，研究团队对球茎部位的组织细胞进行分类，发现对球茎膨大起到主要贡献的是海绵细胞，并找出了球茎膨大的主要基因调控通路，为后续对膨大分子机制的深入研究和育种应用提供重要基础。

华大 研究院院长徐讯表示，“Stereo-seq技术兼具纳米级分辨率和厘米级全景视场的优势，能够帮助研究人员从空间和时间两个维度对洋葱球茎膨大过程开展研究，获取更加丰富和重要的细胞形态与空间位置信息，在研究中发挥了关键的作用。”

结合时空转录组数据，研究团队发现洋葱鳞茎的表皮细胞是黄酮类合成的中心部位，表明它们是洋葱鳞茎中类黄酮的主要来源。此外，研究发现了在防止洋葱鳞茎失水和抗虫害方面起到关键作用的蛋白质家族。这些结果为洋葱害虫防治和抗虫系的育种提供了基础依据。

西北工业大学教授蔡晶表示：“高精度的空间转录组数据，为研究洋葱球茎的发育和代谢提供了新的见解。本次研究成果为深入解析葱属植物发育过程中的性状进化和基因表达模式提供了依据，为进一步推动分子育种应用提供重要指导。”

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41588-023-01546-0