栀子染色体水平基因组被破译!中国医科院研究团队揭示西红花苷与咖啡因生物合成的趋异进化机制

西红花苷属于脱辅基类胡萝卜素类化合物,具有抗肿瘤、抗炎、抗氧化、治疗神经退行性疾病 (如阿尔茨海默症、帕金森病、抑郁症) 等作用,也是重要的香料及着色剂,与咖啡因的活性显著不同。

含有西红花苷的西红花

图:西红花

2014年《科学》杂志报道茜草科植物咖啡 (Coffea canephora) 基因组,揭示亲缘关系较远的茜草科咖啡、梧桐科可可和山茶科茶含有相同活性成分咖啡因的趋同进化,发现咖啡不同于可可和茶的咖啡因合成机制,证明咖啡因在双子叶植物中的多元起源。但是,最近的研究发现亲缘关系相近物种却含有显著不同的活性成分,其形成分子机制引起国际研究人员的广泛关注。例如,同为茜草科的咖啡和栀子 (Gardenia jasminoides) ,咖啡含有咖啡因,而栀子却含有西红花苷。

栀子

图:栀子 Gardenia jasminoides

中国医学科学院药用植物研究所本草基因组协同创新团队首席专家宋经元研究员课题组,联合国内外多家单位, 破译茜草科植物栀子染色体水平基因组,完整解析西红花苷生物合成途径。联合多组学及分子生物学手段揭示茜草科植物西红花苷和咖啡因生物合成的趋异进化机制,相关研究成果以Tandem gene duplications drive divergent evolution of caffeine and crocin biosynthetic pathways in plants为题于2020年6月18日在BMC Biology杂志在线发表,为西红花苷合成生物学研究及栀子分子辅助优良新品种选育等提供重要支撑。

栀子基因组杂合度极高 (2.2%) ,团队基于二代测序平台 (Illumina) 和三代测序平台 (Oxford Nanopore Technologies) 构建高质量栀子基因组,组装基因组大小为534.1 Mb (Contigs N50~1.0 Mb) 。采用Hi-C技术搭建栀子染色体水平基因组 (2n=22) ,注释到35,967个蛋白编码基因。基于栀子不同组织部位及不同果实成熟阶段的转录组研究,筛选可能参与西红花苷生物合成途径相关的CCD、ALDH、UGT编码基因;采用分子生物学技术鉴定4个关键酶催化西红花苷生物合成:GjCCD4a具有裂解C40类胡萝卜素类化合物7,8 (7’,8’) 碳碳双键,产生西红花酸二醛的功能;GjALDH2C3能够氧化西红花酸二醛生成西红花酸;GjUGT74F8和GjUGT94E13协同作用催化西红花酸生成五种类型的西红花苷。该研究完整解析了栀子西红花苷生物合成途径。 课题组在此基础上,将栀子来源的UGT整合进入大肠杆菌底盘细胞,获得高效合成西红花苷的大肠杆菌株系,以封面文章在《ACS Synthetic Biology》发表 。

栀子活性成分西红花苷的生物合成途径

图:栀子活性成分西红花苷的生物合成途径

基于茜草科植物栀子、咖啡以及钩吻科植物常绿钩吻藤 (Gelsemium sempervirens) 的基因组共线性分析,结果显示与钩吻科植物分化后,茜草科植物进化出咖啡因生物合成相关的N-甲基转移酶祖先基因NMT4a和NMT4b,而咖啡进一步通过串联复制进化出咖啡因合成的N-甲基转移酶基因簇CcMTL-CcNMT-CcXMT,揭示咖啡因在茜草科植物咖啡中特异形成的基因组学基础。同时,在栀子基因组中发现西红花苷合成关键酶基因CCD4的串联复制基因簇GjCCD4a-4b-4c-4d,而咖啡基因组仅含有一个CcCCD4基因,证明与咖啡物种分化后,栀子通过串联复制进化出西红花苷合成关键酶CCD基因。

综上,该研究揭示了在茜草科植物咖啡和栀子进化过程中,基因组基因串联复制导致的咖啡因与西红花苷生物合成的趋异进化机理,为基因串联复制在植物特定代谢进化中的作用提供重要参考。

物种特异的串联复制导致西红花苷和咖啡因生物合成的趋异进化

图:物种特异的串联复制导致西红花苷和咖啡因生物合成的趋异进化

中国医学科学院药用植物研究所徐志超副研究员及浦香东博士生为论文共同第一作者,中国医学科学院药用植物研究所宋经元研究员、中国中医科学院中药研究所陈士林研究员及意大利新技术、能源与环境局 (ENEA)Giovanni Giuliano教授为共同通讯作者。美国布法罗大学的Victor A. Albert教授团队、重庆市药物种植研究所、中国医学科学院药物研究所和青岛农业大学等相关研究人员为共同作者。该研究得到国家自然科学基金、中国医学科学院医学与健康科技创新工程等项目资助。

论文链接:https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-020-00795-3



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