中英科學家團隊聯合破譯中藥黃芩產生抗癌活性物質的遺傳密碼

       2019年4月14日,來自上海辰山植物園/中國科學院上海辰山植物科學研究中心,中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所及英國John Innes Centre等單位的中英科學家團隊成功完成了唇形科植物黃芩全基因組測序,并分析了黃芩中活性成分的進化機制,進而完整闡明了抗癌活性物質漢黃芩素的合成機制。這一研究成功解析了一種使用2000多年的藥用植物中的珍貴化學物質合成途徑,為通過合成生物學獲取漢黃芩素提供了基礎,也為其它唇形科植物的遺傳分析提供了參考。該工作在4月14日以題為“The Reference Genome Sequence of Scutellaria baicalensis Provides Insights into the Evolution of Wogonin Biosynthesis”的研究論文在線發表于Molecular Plant上。

       黃芩是一種著名的中藥植物,原產于中國,因其具有良好的治療特性而在世界范圍內廣泛種植?;棲艘鍍瀉幸盎棲慫?、野黃芩苷,根中則含有黃芩素、漢黃芩素等活性物質。這些黃酮類物質具有抗菌,抗病毒,抗氧化,抗癌,保肝和神經?;ぬ匭?。盡管黃芩具有很好的經濟效益,需求在不斷增加,但由于缺乏基因組信息而使黃芩栽培育種及遺傳改良受到限制。

       通過全基因組測序,研究團隊首先對PacBio數據進行組裝,然后結合Illumina數據糾錯,通過10 X genomics數據延伸片段長度,組裝出386.63 Mb、占預估基因組94.73%的黃岑基因組,最后通過Hi-C數據將98.04%基因組序列掛載至9條染色體,N50 達到 33.2 Mb。研究者進一步從花、花蕾、葉、莖、根及JA處理的根中提取樣品進行RNA-Seq,輔助基因組注釋,共注釋了28,930個基因?;漆蜃櫓馗蔥蛄寫?5.15%,串聯重復和散布重復分別占1.2%和53.95%,其中,LTR最為豐富,占基因組的34.4%。

       唇形科植物中,只有黃芩屬物種含有4’-去氧黃酮類物質(如黃芩素、漢黃芩素),為了搞清楚該類化合物進化機制,研究者比較了黃芩、芝麻、丹參及一串紅的基因組。分析發現,黃酮途徑合成酶基因僅在黃芩中得到了擴增。其代謝途徑中最關鍵的合成基因,均于黃芩屬物種分化后通過串聯重復產生。

       在前期研究工作中,該團隊已完整解析了去甲漢黃芩素合成途徑,而去甲漢黃芩素還需經過氧甲基轉移酶(OMT)作用來合成黃芩素。研究者在一個黃芩基因組中特有的串聯重復區內找到數個OMT候選基因,通過酶活及RNAi實驗,找到了負責合成黃芩素的酶PFOMT5,該工作完整解析了漢黃芩素合成途徑。

       文章通訊作者,辰山中心藥用植物與健康組組長、英國皇家科學院院士(Fellow of Royal Society, FRS)Cathie Martin教授說道,“黃芩的參考基因組將有助于為唇形科家族的其他成員基因組序列組裝和改進,并為在藥用植物中解析有價值化合物的合成途徑提供重要基礎?!?

       辰山中心藥用植物與健康組趙清博士為論文第一作者,旋花植物進化組組長楊俊博士為共同第一作者。藥用植物與健康組全體成員參與了該工作。本項研究的合作者還包括辰山中心、植物生理生態研究所的陳曉亞研究員,辰山中心胡永紅研究員,美國MIT的翁經科研究員等。項目得到科技部國家重點研發計劃,上海綠化局辰山專項,國家自然科學基金委,中國科學院-英國約翰英納斯中心植物和微生物科學聯合研究中心經費,中科院青促會項目的支持。

       論文鏈接:https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(19)30131-5

圖1 藥用植物黃芩

 

圖2 黃芩基因組組裝情況