研究成果

PNAS—劉振華研究組解析枇杷富含活性三萜酸的分子進化機制

發布時間:2021-05-17 

 枇杷爲薔薇科常綠植物,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,暴幹用”來描述枇杷作爲藥、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産甜美多汁的枇杷果實。此外,枇杷葉片長久以來作爲傳統藥物被中國及周邊國家民衆用于治療咳嗽、慢性支氣管炎、炎症等多種疾病。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爲公衆所知

 

近日,上海交大劉振華研究組聯合華南農業大學林順權研究組深圳華大基因莆田學院等单位合作在《美国科學院院报》(PNAS)上發表題爲“Polyploidy underlies co-option and diversification of biosynthetic triterpene pathways in the apple tribe”的研究论文。該聯合团队首先结合PacBio、Hi-C和 Illumina测序组装了枇杷主栽品种‘解放钟’染色体水平的高质量基因组。同时为方便开展比较基因组学分析,团队还率先组装了苹果族近缘植物美吐根(Gillenia trifoliata)染色体水平的高质量基因组。多物种的单拷贝基因进化分析表明,苹果族植物(含枇杷、苹果和梨在内)在大约13.5至27.1 百万年前与美吐根祖先发生了物种分化。染色体共线性分析发现,美吐根/桃与枇杷/苹果的染色体共线性块存在1:2的关系,预示枇杷/苹果所在分支在演化过程中发生了全基因组复制事件(WGD)。通过对桃、美吐根(WGD事件之前)以及苹果、枇杷(WGD事件之后)在基因组、代谢组和转录组等多组学的综合研究,研究人员发现,合成乌苏烷类型的三萜酸代谢通路OSC-CYP716A-CYP716C在WGD事件之前就已经存在。全基因组复制后,該通路得以在枇杷中完整复制和保留。有意思的是,OSC-CYP716A-CYP716C通路基因在枇杷中的共表达相关性远远高于美土根,表明全基因组复制后,代谢通路变得更高效。

綜上,經曆全基因組複制、代謝通路的共選擇和代謝基因緊密高表達後,枇杷葉獲得了更強的熊果酸和科羅索酸等主要活性三萜酸的富集能力。研究從基因組水平上爲枇杷作爲藥用植物提供了遺傳學與基因組學證據、是WGD參與植物代謝物特異富集與分化的又一有力證據。同時,也爲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,還爲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。

圖1枇杷富含三萜酸的分子進化基礎

 

华南农业大学苏文炳、深圳華大基因静一、林授锴(莆田學院)、岳震(华大)和杨向晖(华农) 为共同第一作者;万森彩票劉振華副教授和華南農業大學林順權教授爲共同通訊作者。上海交大研究生朱姣姣和安甯、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。

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