抗癌第一本草-苦參基因組公布了！

苦參作為藥用至今已有3000年歷史,現如今,已從傳統野生采集到規模種植轉變,但基因組信息很少,極大地阻礙了選育以及生物活性化合物的鑒定。

苦參,豆科植物苦參的干燥根,豆科槐屬多年生亞灌木植物,高12米,莖直立多分枝,葉卵狀披針形,背面密生柔毛,總狀花序頂生,花冠黃白色,旗瓣卵狀匙形;果圓柱形,呈珠狀,種子褐色扁球狀。《本草綱目》中記載苦參名稱由來“苦似味名,參以功名,槐似葉形名也”。苦參作為藥用至今已有3000年歷史,現如今,已從傳統野生采集到規模種植轉變,但基因組信息很少,極大地阻礙了選育以及生物活性化合物的鑒定。

揭秘苦參基因組

(一)基因組測序、組裝和注釋

2023年8月29日振東中澳分子中醫藥學研究中心DavidL.Adelson教授團隊、屈志鵬、王偉博士發表在《ScientificData》(自然科學Nature旗下期刊,IF=9.4)上的《藥用植物苦參染色體水平基因組組裝》。

DavidL.Adelson教授表示大部分中藥是基于中國人的傳統經驗,中藥在一些治療過程中療效確實不錯,但沒有人知道這些藥物治療疾病的具體現代藥理學特征。基于植物的復雜化合物分子模式作用,通過對復雜的生物體系分析,能夠考慮到系統中的所有檢測現象,為中藥現代化提供新的思路。

本工作全球首次對藥用植物苦參的基因組進行測序,鑒定了苦參中參與合成生物活性成分的基因,揭示了苦參在豆科植物中的進化軌跡,為苦參的品種鑒定及生物活性成分合成研究提供了遺傳資源。

(二)基因組測序、組裝和注釋

采用第三代Nanopore測序技術結合NGS對苦參的基因組進行測序,接著利用HiC平臺錨定到18條染色體,總長度為2.08 Gb,其中超過80%被注釋為最近迅速擴增的重復序列(TE)。該基因組大小大約是其近緣物種羽扇豆基因組的5倍。

根據同源性和從頭預測以及轉錄組數據,鑒定并預測了60,485個蛋白質編碼基因模型,并檢查了它們在葉、莖和根組織中的表達譜,還鑒定了參與主要生物活性化合物(包括生物堿、黃酮類和異黃酮類)生物合成的基因和通路。

該組裝完成的基因組揭示了近期分化的豆科植物中發生的非常不同的進化軌跡導致了更小的重復基因組(羽扇豆)。

圖1:基因和重復序列在苦參基因組中分布的環圖。

代表GC含量的外環的Y軸表示100Kb基因組片段中GC堿基的比例。代表基因分布的中環的Y軸表示100Kb基因組片段中的基因數量。代表重復序列的內環的Y軸表示100Kb基因組片段中重復序列覆蓋的堿基的比例。

(三)系統發育分析

苦參在豆科植物中具有最高的基因擴展率,并且與其他豆科植物(包括其最接近的近親羽扇豆)相比,遵循著顯著不同的基因組進化軌跡。

還鑒定了參與兩大類生物活性化合物(生物堿和類黃酮/異黃酮類)生物合成的基因/蛋白質,證實了苦參基因組的高質量。

該基因組將成為寶貴的遺傳資源,可用于了解苦參中生物活性化合物的生物合成、植物育種和不同地理苦參亞種的分子鑒定。

圖2:苦參與其他16個豆科植物和9個非豆科植物的系統發育樹

圖3:不同豆科植物中不同類型的發生復制的基因的數量

質量控制

苦參全國各地資源分布廣泛,主要分布在太行山區、長白山區和秦嶺一帶,以山西、河南、河北產量較大。山西是苦參的道地產區,適宜的壤質、濕度、溫度為苦參提供了良好的生長環境,已成為全國苦參藥材的主產地和人工種植地區。

目前苦參最大的苦參AMP種植基地是振東平順種植基地,占地10萬畝,被稱為“苦參種質資源庫”,出版唯一苦參專著《中國苦參》,牽頭修訂2020年藥典中苦參標準及建立苦參團體標準。為全面掌握苦參種植資源情況,振東集團曾先后3次開展了全國苦參野生資源大調查。研究表明,山西長治苦參生物堿含量高達3.75%,是全國苦參生物堿含量最高的地區。

未來苦參的基礎研究將同時聚焦組織或單細胞水平上由DNA甲基化、非編碼RNA、組蛋白修飾、三維基因組等參與的藥效物質調控研究。在此基礎上,應用(CRISPRCas9)基因編輯體系改造天然產物生物合成和調控相關基因,實現苦參分子育種。

（來源：河北廣播電視臺）

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