上海辰山植物園 English
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近日，辰山植物(wù)園（中國科學院分(fēn)子植物(wù)科學卓越創新中心辰山科學研究中心）趙清課題組在《Horticulture Research》上發表題爲“Gap-free genome assembly and CYP450 gene family analysis reveal the biosynthesis of anthocyanins in Scutellaria baicalensis”的(de)研究論文。該研究成功獲得(de)唇形科傳統藥用(yòng)植物(wù)黃(huáng)芩（Scutellaria baicalensis Georgi）首個(gè)從端粒到端粒（T2T）的(de)完整基因組。基于此基因組數據，分(fēn)析了(le)其中CYP450家族，結合轉錄組和(hé)代謝組數據，研究了(le)黃(huáng)芩中花青素修飾關鍵酶：黃(huáng)酮-3′-羟化(huà)酶（F3′H）和(hé)F3′5′H活性，闡明(míng)了(le)其花色形成機制。
黃(huáng)芩（圖1A）擁有豐富的(de)黃(huáng)酮類化(huà)合物(wù)，具有良好的(de)藥物(wù)活性，作爲藥用(yòng)植物(wù)在我國已有數千年使用(yòng)曆史。高(gāo)質量的(de)基因組将爲黃(huáng)芩分(fēn)子生物(wù)學及代謝生物(wù)學提供重要信息，然而，目前已報道的(de)黃(huáng)芩基因組仍存在大(dà)量的(de)間隙（gap）和(hé)堿基錯誤，影(yǐng)響了(le)後續基因功能的(de)研究。本研究結合Pacbio HiFi、ONT ultra-long和(hé)Hi-C等測序技術成功組裝了(le)黃(huáng)芩的(de)完整基因組。該基因組大(dà)小爲384.59 Mb，Contig N50爲42.44 Mb，所有序列均挂載到9條染色體上，實現了(le)100%挂載率和(hé)0 gap，成功注釋出28,097個(gè)結構基因，并進一步根據端粒和(hé)著(zhe)絲粒特征成功預測到17個(gè)端粒和(hé)8個(gè)著(zhe)絲粒區(qū)域（圖1B），重複序列占65.11%（圖1C）。
圖1. 黃(huáng)芩T2T gap-free基因組
A. 黃(huáng)芩植株；B. 黃(huáng)芩基因組每條染色體上的(de)基因密度及端粒、著(zhe)絲粒區(qū)域；C. 黃(huáng)芩基因組特征圈圖
将黃(huáng)芩gap-free基因組與舊(jiù)版基因組進行共線性比對(duì)發現，gap-free基因組中預測的(de)端粒和(hé)著(zhe)絲粒區(qū)域與舊(jiù)版基因組無共線性關系（圖2A），且存在較多(duō)的(de)結構倒位、轉置和(hé)複制，表明(míng)黃(huáng)芩新版基因組較舊(jiù)版有較大(dà)的(de)質量提升。在這(zhè)些結構變異中，重複變異占比例最高(gāo)，達到了(le)89%，主要集中在端粒和(hé)著(zhe)絲粒區(qū)域；其次是缺失變異和(hé)插入變異，分(fēn)别占14.9%和(hé)12.7%（圖2B）。對(duì)這(zhè)些結構變異序列進行GO功能注釋和(hé)KEGG通(tōng)路富集分(fēn)析顯示，大(dà)多(duō)數序列富集在防衛反應功能中（圖2C和(hé)2D），如植物(wù)與病原菌互作和(hé)MAPK信号通(tōng)路等。此外，我們使用(yòng)存在與缺失變異（PAV）分(fēn)析對(duì)新組裝的(de)片段進行分(fēn)類。GO功能和(hé)KEGG通(tōng)路富集分(fēn)析發現，大(dà)多(duō)數片段同樣富集在防衛反應中，對(duì)應KEGG通(tōng)路中的(de)植物(wù)激素信号轉導。這(zhè)些結果均表明(míng)高(gāo)質量的(de)基因組組裝在植物(wù)研究中的(de)重要性。
圖2 黃(huáng)芩T2T gap-free基因組與舊(jiù)版基因組比比較
A. 黃(huáng)芩T2T gap-free基因組與舊(jiù)版基因組共線性比對(duì)；B. 結構變異類型及所占比例；C. 結構變異GO功能注釋；D. 結構變異KEGG注釋。
花色是觀賞植物(wù)的(de)一個(gè)重要特征。在自然界中僅15%-20%的(de)野生植物(wù)具有藍色花，而大(dà)多(duō)數暢銷花卉缺乏藍色品種。黃(huáng)芩擁有天然的(de)藍紫色花和(hé)較長(cháng)的(de)花期（春末到秋季），除藥用(yòng)外，還(hái)具有作爲花卉的(de)開發潛力。代謝組分(fēn)析表明(míng)黃(huáng)芩花中主要積累矢車菊素和(hé)飛(fēi)燕草(cǎo)素類花色苷，這(zhè)些花青素的(de)3′-和(hé)3′-、5′-位被羟化(huà)，使黃(huáng)芩花在自然狀态下(xià)呈現藍紫色。我們基于全基因組鑒定獲得(de)213個(gè)CYP450家族基因，并通(tōng)過進化(huà)樹和(hé)轉錄組表達水(shuǐ)平分(fēn)析篩選得(de)到7個(gè)黃(huáng)酮-B-環羟化(huà)酶（SbFBH1-7）候選基因，其中SbFBH1、2和(hé)5屬于CYP75B亞家族，SbFBH7屬于CYP75A亞家族。酵母體内酶活實驗分(fēn)析表明(míng)SbFBH1、2和(hé)5爲F3′H，SbFBH7爲F3′5′H，可(kě)分(fēn)别催化(huà)二氫山奈酚生成花青素前體物(wù)質二氫槲皮素和(hé)二氫楊梅素（圖3）。
圖3 SbFBHs酵母體内酶活反應
本研究成功獲得(de)了(le)黃(huáng)芩T2T gap-free基因組，爲唇形科物(wù)種進化(huà)研究提供了(le)重要參考，同時(shí)成功鑒定了(le)4個(gè)花青素修飾相關的(de)CYP450基因，其中在花芽高(gāo)表達的(de)SbFBH7（F3′5′H）可(kě)作爲利用(yòng)基因工程獲得(de)藍色觀賞花卉的(de)有力候選基因。
藥用(yòng)植物(wù)與健康組裴天林(lín)博士和(hé)已畢業研究生朱三明(míng)爲論文共同第一作者，趙清研究員(yuán)爲通(tōng)訊作者，研究助理(lǐ)崔孟穎爲共同通(tōng)訊作者。研究得(de)到上海市自然科學基金、上海市綠化(huà)和(hé)市容管理(lǐ)局辰山專項和(hé)科技部中央引導地方科技發展資金的(de)資助。
文章(zhāng)鏈接：https://doi.org/10.1093/hr/uhad235
黃(huáng)芩Gap-free基因組鏈接：https://ngdc.cncb.ac.cn/gwh/Assembly/57286/show
文/圖：裴天林(lín)
