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傳統(tǒng)中藥山茱萸馬錢苷合成通路的進(jìn)化起源獲揭示
作者：許悅  來源：中國科學(xué)報(bào)
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北京林業(yè)大學(xué)/北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院教授張德強(qiáng)團(tuán)隊(duì)破譯了重要藥用植物山茱萸高質(zhì)量基因組，首次完整揭示了其藥用活性成分馬錢苷的生物合成路徑與進(jìn)化機(jī)制。該成果不僅為山茱萸的藥用開發(fā)打下了理論基石，還為馬錢苷生物合成與高效生產(chǎn)提供了思路。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《園藝研究》。
山茱萸為山茱萸科山茱萸屬植物，廣泛應(yīng)用于經(jīng)典方劑中。其藥用價(jià)值主要來源于環(huán)烯醚萜類成分，尤其是馬錢苷，已被現(xiàn)代藥理學(xué)證實(shí)具有顯著的抗腫瘤、降血糖和保護(hù)腎臟的作用。然而，由于高質(zhì)量基因組缺乏，制約了其工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用。
為破解這一難題，研究團(tuán)隊(duì)采用多方法整合策略，聯(lián)合二代與三代測(cè)序技術(shù)，并結(jié)合Hi-C技術(shù)和BioNano光學(xué)圖譜技術(shù)，成功組裝了山茱萸染色體水平的高質(zhì)量參考基因組。其基因組大小為2.96 Gb，重復(fù)序列占比75.04%，共注釋了41911個(gè)蛋白編碼基因。
比較基因組進(jìn)化分析顯示，在山茱萸物種形成與演化過程中分別有3061 個(gè)和2215 個(gè)基因家族發(fā)生了擴(kuò)張與收縮。其中，NAC轉(zhuǎn)錄因子家族與萜烯合酶（TPS）基因家族的擴(kuò)張，是山茱萸適應(yīng)復(fù)雜多變環(huán)境的主要驅(qū)動(dòng)因素。研究還發(fā)現(xiàn)，山茱萸在與鵑形目植物（如茶樹）分化后，約在6700 萬年前經(jīng)歷了一次獨(dú)立的全基因組復(fù)制事件，進(jìn)化過程中基因組轉(zhuǎn)座子擴(kuò)張與轉(zhuǎn)座元件DNA甲基化水平降低，共同驅(qū)動(dòng)了山茱萸基因組與染色體結(jié)構(gòu)的快速演變。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還鑒定了山茱萸特有的馬錢苷合成通路關(guān)鍵基因簇，包含了馬錢子酸O-甲基轉(zhuǎn)移酶（LAMT）和7-脫氧葡萄糖酸、7-羥化酶（7-DLH）等關(guān)鍵合酶基因。分子動(dòng)力學(xué)模擬與酶動(dòng)力學(xué)分析表明，與近緣物種相比，山茱萸LAMT 酶能夠優(yōu)先催化馬錢苷酸的C-9 位羥基化反應(yīng)，從而顯著增強(qiáng)了馬錢苷酸向馬錢苷的催化活性。研究團(tuán)隊(duì)將山茱萸LAMT基因及其上游調(diào)控因子導(dǎo)入本氏煙草，實(shí)現(xiàn)了馬錢苷衍生物的從頭生物合成。
該研究揭示了山茱萸中完整的馬錢苷生物合成通路，為馬錢苷及其衍生物的藥物開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了科學(xué)理論指導(dǎo)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1093/hr/uhaf259
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