熊兴耀教授团队取得红豆杉研究重大突破
【NatPlants】红豆杉全基因组学、代谢组学和转录组学研究解析了紫杉醇生物合成的遗传基础
2021年7月15日，NaturePlants在线发表了湖南省风景园林学会名誉理事长、湖南农业大学园艺学院熊兴耀教授课题组和中国农业科学院农业基因组研究所闫建斌研究员、黄三文研究员课题组题为“The Taxus genome provides insights into paclitaxel biosynthesis”的研究论文。湖南省风景园林学会园林植物专业委员会李炎林秘书长为论文的共同第一作者，该研究公布了超大复杂基因组裸子植物南方红豆杉染色体水平基因组及代谢组和转录组数据，全面解析了紫杉醇生物合成的遗传基础。
南方红豆杉(Taxuschinensisvar.mairei)是红豆杉科(Taxeceae)红豆杉属(Taxus)中国红豆杉(T. chinensis)的变种，是第四纪冰川遗留的孑遗植物。从红豆杉中提取的紫杉醇及其结构修饰后的紫杉烷类物质是治疗乳腺癌、宫颈癌、卵巢癌、肺癌等癌症的知名药物。在我国属于国家一级保护植物，在世界上多个国家也受到法律保护。在自然条件下红豆杉生长速度缓慢，再生能力差，没有形成大规模的红豆杉原料基地。紫杉醇在红豆杉中含量极低，其生源合成途径复杂，无法高效率的通过全化学合成，紫杉醇的供需矛盾一直没有得到缓解。因此，利用多组学技术和合成生物学技术培育高产紫杉醇的品种或者微生物底盘细胞合成是降低紫杉醇生产成本和红豆杉自然保育的必由之路。该项研究将有力推动我国紫杉醇生物合成与调控研究以及产业的进一步发展。
图1南方红豆杉及其紫杉醇分子结构
该研究通过对南方红豆杉(Taxuschinensisvar. mairei)单倍型胚乳材料测序报道其全基因组染色体水平高质量参考基因组。南方红豆杉基因组大小为10.23 Gb，Contig N50为2.44 Mb，其中9.86 Gb的组装数据被挂载到了红豆杉基因组的12条染色体上。研究显示该红豆杉基因组经历了一次古代的全基因复制事件，基因组中重复序列长期而连续的插入可能是红豆杉形成超大基因组的主要原因。在漫长的进化过程中，红豆杉形成了独特的Gypsy和Copia转座子家族和紫杉醇生物合成相关基因家族。该研究系统分析了紫杉醇合成相关基因的基因组定位与协同表达调控，绘制了多个功能基因(如细胞色素P450家族基因等)及相关基因家族的基因组位置图谱。研究首次发现了由于基因复制事件形成的紫杉醇合成基因簇(由六个基因串联组成)，主要负责催化紫杉醇生物合成的前两步。
图2南方红豆杉基因组特征和紫杉醇合成基因簇及代谢通路解析
该研究得到了国家重点研发计划(2018YFA0903200, 2018YFA0901800)、中央级公益性科研院所基本科研业务专项(Y2020XK23)、中国西南地区极小种群野生植物调查与种质保存(2017FY100100)、湖南省教育厅科学研究基金(2016XYX001)、湖南农业大学“双一流”建设 (SYL201802026)、湖南省教育厅项目 (18B124)和国家自然科学基金 (32000236)的资助。
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