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我校聯合上海交大等單位共同解析枇杷富含活性三萜酸的分子進化機制

審核發布:宣傳部 費思迎 來源單位及審核人:園藝學院 馬強 發布時間:2021-05-18瀏覽次數:261

  枇杷為薔薇科常綠植物,是起源于我國的名果異樹,北宋藥學家蘇頌在《本草圖經》中用“木高丈余,肥枝長葉。熟時色如黃杏,,核大如茅栗,黃褐色。四月采葉,暴干用”來描述枇杷作為藥、果兩用植物的特性。根據《史記·司馬相如傳》記載,早在2000多年前的西漢時代,我們的先輩就開始生產甜美多汁的枇杷果實。此外,枇杷葉片長久以來作為傳統藥物被中國及周邊國家民眾用于治療咳嗽、慢性支氣管炎、炎癥等多種疾病。藥理研究表明,枇杷中的一些三萜酸等天然小分子,如熊果酸和科羅索酸,具有抗癌和降血糖等多種生物活性,也是其入藥的重要代謝物基礎。然而,枇杷何以富含三萜酸等活性小分子的分子進化機制一直不為公眾所知。

  近日,華南農業大學林順權研究組聯合上海交大劉振華研究組及深圳華大基因、莆田學院等單位合作在《美國科學院院報》(PNAS)上發表題為“Polyploidy underlies co-option and diversification of biosynthetic triterpene pathways in the apple tribe”的研究論文。(地址https://doi.org/10.1073/pnas.2101767118)該論文綜合運用基因組、代謝組、轉錄組與合成生物學等研究手段,系統分析了枇杷中主要三萜酸小分子在蘋果亞科全基因組復制前后的合成通路、表達模式以及進化路線。研究表明,蘋果族植物大約在1327 百萬年前發生了一次全基因組復制(WGD)事件。與相近物種相比,枇杷基因組在WGD之后保留下了2套完整的烏蘇烷型三萜酸合成通路基因。同時,這兩套基因在枇杷葉等組織中表現出更緊密的共表達關系。經歷全基因組復制、代謝通路的共選擇和代謝基因緊密高表達后,枇杷葉相比其他薔薇科植物獲得了更強的熊果酸和科羅索酸等主要三萜酸的富集能力。該研究從基因組水平上為枇杷作為藥用植物提供了遺傳學與基因組學證據。

枇杷富含三萜酸的分子進化基礎

  該聯合團隊首先結合PacBio、Hi-C(華大自主研發DNBSEQ平臺)  Illumina測序組裝了枇杷主栽品種解放鐘染色體水平的高質量基因組。同時為方便開展比較基因組學分析,團隊還率先組裝了蘋果族近緣植物美吐根(Gillenia trifoliata)染色體水平的高質量基因組。多物種的單拷貝基因進化分析表明,蘋果族植物(含枇杷、蘋果和梨在內)在大約13.527.1 百萬年前與美吐根祖先發生了物種分化。染色體共線性分析發現,美吐根/桃與枇杷/蘋果的染色體共線性塊存在1:2的關系,預示枇杷/蘋果所在分支在演化過程中發生了全基因組復制事件(WGD)。

比較基因組分析證實蘋果族在13.527.1百萬年前發生了全基因組復制

為判斷枇杷與近緣物種葉片三萜酸積累能力的差異,研究團隊系統分析了桃-美吐根-枇杷-蘋果不同發育階段葉片中的三萜酸組分和總量差異。結果表明,分析的四個物種均主要積累烏蘇烷型和齊墩果烷型三萜酸,有意思的是枇杷成熟葉片的三萜酸(特別是熊果酸和科羅索酸為主的烏蘇烷型三萜酸)積累總量是桃-美吐根-蘋果的近10倍。更細致的發育階段代謝分析表明,枇杷葉在葉片發育中期即開始大量積累熊果酸,而在葉片老熟階段才開始大量合成科羅索酸。為鑒定在葉片等組織中合成枇杷烏蘇烷型三萜酸的主要催化酶基因,團隊首先以不同類型三萜酸合成第一步關鍵催化步驟酶基因家族鑒定為切入點,結合組織轉錄組分析,發現2個高表達的氧化鯊烯合成酶基因EjOSC1/2(其同源基因編碼蛋白主要合成α香樹精,烏蘇烷型三萜酸的前體)。同時圍繞這兩個OSC基因對轉錄組數據進行共表達分析,挖掘到兩個三萜酸修飾基因,CYP716ACYP716C。煙草瞬時表達表明,枇杷中含有至少兩條完整的烏蘇烷型三萜酸合成通路:EjOSC1-EjCYP716A1-EjCYP716C1EjOSC2-EjCYP716A2-EjCYP716C2。

枇杷三萜酸合成基因鑒定與代謝通路推定

通過對桃、美吐根(WGD事件之前)以及蘋果、枇杷(WGD事件之后)在基因組、代謝組和轉錄組等多組學的綜合研究,研究人員發現,合成烏蘇烷類型的三萜酸OSC-CYP716A-CYP716CWGD事件之前就已經存在,全基因組復制后,該通路得以在枇杷中完整復制和保留。有意思的是,OSC-CYP716A-CYP716C通路基因在枇杷中的共表達相關性遠遠高于美土根,表明全基因組復制后,代謝通路變得更高效。 

綜上,該研究揭示了枇杷葉在漫長人類歷史發展過程中被選作藥材的一種可能的分子進化機制。同時,也為利用合成生物學開發高價值的天然小分子以及枇杷分子育種提供了基因組基礎,還為薔薇科的比較基因組學、進化生物學等研究提供了高質量的基因組支撐。

以上研究工作由林順權課題組聯合深圳華大基因、莆田學院和上海交通大學等多家單位協作完成。華南農業大學蘇文炳博士(現福建省農業科學院果樹研究所副研究員)、深圳華大基因靜一,林授鍇(莆田學院)  、岳震(華大)和楊向暉(華農)為共同第一作者;華南農業大學林順權教授和上海交通大學劉振華副教授為共同通訊作者。華南農業大學夏瑞研究組以及英國諾丁漢大學LeviYant等參與了本研究。研究的開展得到了農業農村部公益性行業(農業)科研專項(201003073)、福建省高校服務海西建設重點項目(2008HX02)、國家自然科學基金(31901973)、上海市浦江人才計劃、國家重點研發(2019YFD1000200)等項目的共同資助。(文圖/園藝學院)


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