上一期我們對泛基因組的基本概念、構(gòu)建方法、應(yīng)用范圍等作了簡要介紹。本期我們介紹下泛基因組研究的重要方向之一：次生代謝。

次生代謝與發(fā)育、抗逆共同構(gòu)成了植物研究的三大熱門賽道。植物次生代謝產(chǎn)物是植物對環(huán)境的一種適應(yīng)，是在長期進(jìn)化過程中植物與生物和非生物脅迫相互作用的結(jié)果。特別是在藥用植物領(lǐng)域，次生代謝產(chǎn)物是藥材質(zhì)量及有效性的基礎(chǔ)。

圖 植物代謝進(jìn)化史[1]

先端上綜述：

2022年，Plant Communications在線發(fā)表了上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院劉振華課題組題為 Unlocking Plant Metabolic Diversity: A (pan)-Genomic View的綜述，總結(jié)植物次生代謝多樣性的（泛）基因組基礎(chǔ)。

植物次生代謝多樣性的（泛）基因組基礎(chǔ)

[2]

該文指出基因和（全）基因組復(fù)制（whole-genome duplication, WGD）是植物代謝多樣性的經(jīng)典驅(qū)動因素，而生物合成基因簇（biosynthetic gene clusters，BGCs）則為協(xié)同驅(qū)動因子[2, 3] 。WGD相關(guān)的代謝多樣性已在包括擬南芥、煙草、罌粟、橄欖等眾多模式/經(jīng)濟(jì)物種中被確證（下圖）。通過近緣物種基因組或泛基因組測序比較研究，

特別是種內(nèi)泛基因組研究

，已將代謝多樣性的分子機(jī)制分辨率提升到前所未有的等級[2] 。

圖 全基因組復(fù)制（WGD）是植物代謝多樣化的基礎(chǔ)[2]

例如在擬南芥等物種中，祖先基因復(fù)制產(chǎn)生的子代基因拷貝進(jìn)化后出現(xiàn)功能分化，驅(qū)動代謝產(chǎn)物的多樣性[4，5] 。 通過泛基因組研究發(fā)現(xiàn)在擬南芥自然種群中三萜類生物合成基因簇的緊湊排列與染色體倒位相關(guān)[6] ，而在水稻中次生代謝關(guān)鍵基因TPS28、CYP71Z21和CYP71Z2的

PAV變異

（presence–absence variations，PAVs）導(dǎo)致了水稻不同品系蓖麻烯的含量差異

[7]

。

圖 植物代謝多樣化的（泛）基因組基礎(chǔ)

再上一篇研究：

三個染色體級別罌粟屬物種基因組揭示嗎啡喃及那可丁合成通路的跳躍式演化

罌粟屬植物作為重要的中藥材，其合成的那可丁、嗎啡喃類物質(zhì)具有顯著的止咳、止疼及抗癌功效，廣泛應(yīng)用于臨床治療。西安交通大學(xué)葉凱教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications在線發(fā)表了題為 Three chromosome-scale?

Papaver

?genomes reveal punctuated patchwork evolution of the morphinan and noscapine biosynthesis pathway的研究論文

[8]

。 團(tuán)隊(duì)運(yùn)用二代和三代測序及組裝技術(shù)構(gòu)建了那可丁及嗎啡喃類物質(zhì)產(chǎn)量各不相同的虞美人、渥美罌粟和鴉片罌粟三個高質(zhì)量罌粟屬物種基因組，系統(tǒng)分析了罌粟屬物種基因組進(jìn)化歷史，揭示了那可丁及嗎啡喃類物質(zhì)合成通路的跳躍式演化。

圖 三個罌粟屬物種基因組統(tǒng)計

圖 三個罌粟屬物種基因組演化

值得一提的是，罌粟生物堿合成關(guān)鍵途徑——芐基異喹啉生物堿通路（benzylisoquinoline alkaloid pathway，BIA）及其關(guān)鍵基因作者已于前期發(fā)表在Science上的研究完整解析

[9]

（下圖）。

圖 芐基異喹啉生物堿（BIA）通路及其關(guān)鍵基因

在本次研究中，作者通過泛基因組比較研究（PAV、SV等），深入解析了BIA通路基因簇及STORR關(guān)鍵基因的進(jìn)化歷史，提出了跳躍式演化的觀點(diǎn)。

圖 BIA通路基因簇進(jìn)化史

圖 STORR基因的進(jìn)化史

最后作者分析了三個物種中嗎啡喃合成途徑關(guān)鍵基因拷貝數(shù)、基因表達(dá)與嗎啡喃含量的關(guān)系，指出CODM、T6ODM和COR三個基因的數(shù)量在鴉片罌粟中受正選擇。

如果一篇不過癮，再上一篇：

罌粟屬物種基因組揭示生物堿合成通路的拷貝數(shù)變異

來自中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所李秋實(shí)博士等人的大作，同樣發(fā)表于Nature Communications

[10]

。 作者使用Hi-C數(shù)據(jù)提升了已發(fā)表的罌粟基因組圖譜，同時測序了10個生物堿含量不同的罌粟品種（泛基因組的味道）。 作者完整解析了BIA通路的關(guān)鍵基因的基因組位置與基因表達(dá)，同時深入揭示了不同品種中BIA基因聚集/成簇分布、基因拷貝數(shù)變異（PAV和CNV）與基因（共）表達(dá)、生物堿含量的關(guān)系。 最后發(fā)現(xiàn)T6ODM串聯(lián)重復(fù)基因簇的缺失導(dǎo)致對應(yīng)品種不含嗎啡和可待因。

圖 BIA通路關(guān)鍵基因及其不同組織表達(dá)

圖 BIA通路關(guān)鍵基因拷貝數(shù)變異

圖 嗎啡喃合成途徑關(guān)鍵基因拷貝數(shù)、基因表達(dá)與嗎啡喃含量

最后，小結(jié)一下。

當(dāng)前階段單個樣本的基因組學(xué)研究已經(jīng)進(jìn)入瓶頸期，由于測序技術(shù)的降本增效，泛基因組研究的風(fēng)口已經(jīng)來臨。從PAV、CNV、SV等較大尺度變異的角度去重新審視不同個體樣本中差異顯著的次生代謝關(guān)鍵產(chǎn)物（黃酮、萜類、生物堿等）涉及的代謝通路（MVA、MEP、BIA等）和關(guān)鍵基因家族（CYP450s、UGTs等）的變化，揭示其背后的遺傳基礎(chǔ)，可能是一個不錯的方向。

參考文獻(xiàn)

1. Maeda, H.A. and A.R. Fernie, Evolutionary History of Plant Metabolism.?Annu Rev Plant Biol, 2021. 72: p. 185-216. 2. Zhou, X. and Z. Liu, Unlocking plant metabolic diversity: A (pan)-genomic view.?Plant Commun, 2022. 3(2): p. 100300. 3. Liu, Z., et al., Drivers of metabolic diversification: how dynamic genomic neighbourhoods generate new biosynthetic pathways in the Brassicaceae.?New Phytol, 2020. 227(4): p. 1109-1123. 4. Liu, Z., et al., Evolutionary interplay between sister cytochrome P450 genes shapes plasticity in plant metabolism.?Nat Commun, 2016. 7: p. 13026. 5. Su, W., et al., Polyploidy underlies co-option and diversification of biosynthetic triterpene pathways in the apple tribe.?Proc Natl Acad Sci U S A, 2021. 118(20). 6. Liu, Z., et al., Formation and diversification of a paradigm biosynthetic gene cluster in plants.?Nat Commun, 2020. 11(1): p. 5354. 7. Zhan, C., et al., Selection of a subspecies-specific diterpene gene cluster implicated in rice disease resistance.?Nat Plants, 2020. 6(12): p. 1447-1454. 8. Yang, X., et al., Three chromosome-scale Papaver genomes reveal punctuated patchwork evolution of the morphinan and noscapine biosynthesis pathway.?Nat Commun, 2021. 12(1): p. 6030. 9. Guo, L., et al., The opium poppy genome and morphinan production.?Science, 2018. 362(6412): p. 343-347. 10. Li, Q., et al., Gene clustering and copy number variation in alkaloid metabolic pathways of opium poppy.?Nat Commun, 2020. 11(1): p. 1190.