熊興耀教授團隊取得紅豆杉研究重大突破
【NatPlants】紅豆杉全基因組學、代謝組學和轉錄組學研究解析了紫杉醇生物合成的遺傳基礎
2021年7月15日，NaturePlants在線發表了湖南省風景園林學會名譽理事長、湖南農業大學園藝學院熊興耀教授課題組和中國農業科學院農業基因組研究所閆建斌研究員、黃三文研究員課題組題為“The Taxus genome provides insights into paclitaxel biosynthesis”的研究論文。湖南省風景園林學會園林植物專業委員會李炎林秘書長為論文的共同第一作者，該研究公布了超大復雜基因組裸子植物南方紅豆杉染色體水平基因組及代謝組和轉錄組數據，全面解析了紫杉醇生物合成的遺傳基礎。
南方紅豆杉(Taxuschinensisvar.mairei)是紅豆杉科(Taxeceae)紅豆杉屬(Taxus)中國紅豆杉(T. chinensis)的變種，是第四紀冰川遺留的孑遺植物。從紅豆杉中提取的紫杉醇及其結構修飾后的紫杉烷類物質是治療乳腺癌、宮頸癌、卵巢癌、肺癌等癌癥的知名藥物。在我國屬于國家一級保護植物，在世界上多個國家也受到法律保護。在自然條件下紅豆杉生長速度緩慢，再生能力差，沒有形成大規模的紅豆杉原料基地。紫杉醇在紅豆杉中含量極低，其生源合成途徑復雜，無法高效率的通過全化學合成，紫杉醇的供需矛盾一直沒有得到緩解。因此，利用多組學技術和合成生物學技術培育高產紫杉醇的品種或者微生物底盤細胞合成是降低紫杉醇生產成本和紅豆杉自然保育的必由之路。該項研究將有力推動我國紫杉醇生物合成與調控研究以及產業的進一步發展。
圖1南方紅豆杉及其紫杉醇分子結構
該研究通過對南方紅豆杉(Taxuschinensisvar. mairei)單倍型胚乳材料測序報道其全基因組染色體水平高質量參考基因組。南方紅豆杉基因組大小為10.23 Gb，Contig N50為2.44 Mb，其中9.86 Gb的組裝數據被掛載到了紅豆杉基因組的12條染色體上。研究顯示該紅豆杉基因組經歷了一次古代的全基因復制事件，基因組中重復序列長期而連續的插入可能是紅豆杉形成超大基因組的主要原因。在漫長的進化過程中，紅豆杉形成了獨特的Gypsy和Copia轉座子家族和紫杉醇生物合成相關基因家族。該研究系統分析了紫杉醇合成相關基因的基因組定位與協同表達調控，繪制了多個功能基因(如細胞色素P450家族基因等)及相關基因家族的基因組位置圖譜。研究首次發現了由于基因復制事件形成的紫杉醇合成基因簇(由六個基因串聯組成)，主要負責催化紫杉醇生物合成的前兩步。
圖2南方紅豆杉基因組特征和紫杉醇合成基因簇及代謝通路解析
該研究得到了國家重點研發計劃(2018YFA0903200, 2018YFA0901800)、中央級公益性科研院所基本科研業務專項(Y2020XK23)、中國西南地區極小種群野生植物調查與種質保存(2017FY100100)、湖南省教育廳科學研究基金(2016XYX001)、湖南農業大學“雙一流”建設 (SYL201802026)、湖南省教育廳項目 (18B124)和國家自然科學基金 (32000236)的資助。
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