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科研進(jìn)展

武漢植物園揭示藥用植物三葉青基因組進(jìn)化和黃酮類代謝物分化的遺傳基礎(chǔ)

發(fā)表日期:2023-03-06來源:武漢植物園放大 縮小

  三葉崖爬藤(Tetrastigma hemsleyanum)是葡萄科崖爬藤屬多年生草質(zhì)藤本植物,塊根或全草入藥,也稱三葉青。《本草綱目》記載“三葉青,性味苦、辛、涼,清熱解毒、活血祛風(fēng)”,現(xiàn)代藥理研究亦證實,其在抗病毒、抗氧化、免疫調(diào)節(jié)以及抗腫瘤等方面均有療效。目前,三葉青已被列為新浙八味中藥材培育品種之一,是浙江省新冠肺炎一號方化濕宣肺合劑的主要成分。武漢植物園東亞植物演化、保護(hù)與利用學(xué)科組邱英雄研究員團(tuán)隊近日以“Chromosome-level reference genome of Tetrastigma hemsleyanum (Vitaceae) provides insights into genomic evolution and the biosynthesis of phenylpropanoids and flavonoids”為題在《The Plant Journal發(fā)表了三葉青研究論文。該論文基于Illumina、PacBio long reads和Hi-C測序技術(shù)相結(jié)合的組裝策略獲得了三葉青高質(zhì)量參考基因組,解析了其基因組進(jìn)化特征;結(jié)合轉(zhuǎn)錄組和代謝組數(shù)據(jù),闡明了苯丙烷-黃酮類代謝途徑合成基因的重復(fù)模式及其與表達(dá)量的相關(guān)性;基于群體重測序分析,解析了黃酮類代謝產(chǎn)物在不同譜系分化的遺傳基礎(chǔ)。 

  研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),三葉青基因組大小為~2.19Gb,是葡萄屬物種的4~5倍?;蚪M中73.43%為重復(fù)序列,其中長末端重復(fù)反轉(zhuǎn)座子(LTR-RTs)占基因組的69%。三葉青和葡萄屬植物同樣只經(jīng)歷1gamma全基因組復(fù)制事件,而LTR-RTs尤其是CopiaGypsy家族在三葉青基因組擴(kuò)張中發(fā)揮了主要原因?;蚣易宸治霰砻?,三葉青特有基因家族和擴(kuò)張基因家族主要與多種活性成分如黃酮類、萜類、芪類、脂肪酸、生物堿等合成有關(guān),還有一些基因則參與植物的防御、響應(yīng)環(huán)境脅迫以及晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)等,這可能與三葉青具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性有關(guān)。 

  為了全面解析三葉青的代謝物組成,研究團(tuán)隊利用LC-MS 技術(shù)對三葉青的不同組織(根、莖、葉)進(jìn)行檢測,共檢測到941種化合物,其中黃酮類多達(dá)148種。由于黃酮類物質(zhì)是三葉青的主要有效成分,研究團(tuán)隊結(jié)合基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),通過同源比對和結(jié)構(gòu)域鑒定方法解析了代謝途徑中的關(guān)鍵酶基因家族和轉(zhuǎn)錄因子,重構(gòu)了三葉青的苯丙烷-黃酮類合成途徑。同時,我們發(fā)現(xiàn)通路中的大部分關(guān)鍵酶基因家族如PAL、CHS、CHI相比葡萄屬物種發(fā)生了顯著的擴(kuò)張,擴(kuò)張主要來源于串聯(lián)重復(fù)。此外,我們還發(fā)現(xiàn)這些重復(fù)基因存在一致性高表達(dá)的現(xiàn)象,可能促進(jìn)了下游代謝物的合成與積累。對來自同質(zhì)園中兩個譜系代表性地區(qū)(西南譜系:廣西;中東部譜系:浙江)的塊根進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析,結(jié)果顯示來自浙江的三葉青塊根含有更多的次生代謝產(chǎn)物如黃酮、多糖、萜類等。研究團(tuán)隊進(jìn)一步對來自這兩個譜系的38份樣本進(jìn)行了重測序和群體基因?qū)W分析,在譜系間高分化區(qū)域內(nèi)鑒定到一系列與性狀發(fā)育、響應(yīng)外界刺激及苯丙烷-黃酮類合成途徑相關(guān)的基因,可能促進(jìn)了東西譜系重要表型(如塊根大小、代謝產(chǎn)物含量)的分化。 

  本研究結(jié)果為探明三葉青藥用活性成分的生物合成和調(diào)控機(jī)制奠定了基礎(chǔ),也為三葉青野生資源的引種、馴化和育種提供了指導(dǎo)。浙江大學(xué)博士后朱珊珊(現(xiàn)為寧波大學(xué)副研究員)、博士生張心怡和任超前為論文共同第一作者,中國科學(xué)院武漢植物園邱英雄研究員為論文通訊作者,浙大生科院傅承新教授、中科院植物所洪德元院士在項目設(shè)計與實施過程中給予了指導(dǎo)。研究得到浙江省十四五育種專項、浙大-杭州三葉青公司校企合作等項目的支持。 

  論文鏈接


1 三葉青與葡萄屬物種基因組大小和重復(fù)序列占比的差異


2 三葉青中苯丙烷代謝通路以及編碼酶的基因在不同組織中的表達(dá)


3a)苯丙烷通路中編碼酶的基因在三葉青、葡萄、河岸葡萄和擬南芥中的拷貝數(shù);(bPAL;(cCHSSTS;(dCHI系統(tǒng)發(fā)育分析


4 aCSE譜系根與葉的形態(tài);(bSW譜系根與葉的形態(tài);(c)在CSEZJ)和SWGX)譜系分別上調(diào)表達(dá)的代謝物的KEGG富集分析結(jié)果;(dSWCSE譜系Z-FST曼哈頓圖,藍(lán)色實線表示Z-FST >2, 紅色標(biāo)注是苯丙烷通路中基因

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