抗癌第一本草-苦参基因组公布了！

苦参作为药用至今已有3000年历史,现如今,已从传统野生采集到规模种植转变,但基因组信息很少,极大地阻碍了选育以及生物活性化合物的鉴定。

苦参,豆科植物苦参的干燥根,豆科槐属多年生亚灌木植物,高1-2米,茎直立多分枝,叶卵状披针形,背面密生柔毛,总状花序顶生,花冠黄白色,旗瓣卵状匙形;果圆柱形,呈珠状,种子褐色扁球状。《本草纲目》中记载苦参名称由来“苦似味名,参以功名,槐似叶形名也”。苦参作为药用至今已有3000年历史,现如今,已从传统野生采集到规模种植转变,但基因组信息很少,极大地阻碍了选育以及生物活性化合物的鉴定。

揭秘苦参基因组

(一)基因组测序、组装和注释

2023年8月29日振东中-澳分子中医药学研究中心DavidL.Adelson教授团队、屈志鹏、王伟博士发表在《ScientificData》(自然科学Nature旗下期刊,IF=9.4)上的《药用植物苦参染色体水平基因组组装》。

DavidL.Adelson教授表示大部分中药是基于中国人的传统经验,中药在一些治疗过程中疗效确实不错,但没有人知道这些药物治疗疾病的具体现代药理学特征。基于植物的复杂化合物分子模式作用,通过对复杂的生物体系分析,能够考虑到系统中的所有检测现象,为中药现代化提供新的思路。

本工作全球首次对药用植物苦参的基因组进行测序,鉴定了苦参中参与合成生物活性成分的基因,揭示了苦参在豆科植物中的进化轨迹,为苦参的品种鉴定及生物活性成分合成研究提供了遗传资源。

(二)基因组测序、组装和注释

采用第三代Nanopore测序技术结合NGS对苦参的基因组进行测序,接着利用Hi-C平台锚定到18条染色体,总长度为2.08 Gb,其中超过80%被注释为最近迅速扩增的重复序列(TE)。该基因组大小大约是其近缘物种羽扇豆基因组的5倍。

根据同源性和从头预测以及转录组数据,鉴定并预测了60,485个蛋白质编码基因模型,并检查了它们在叶、茎和根组织中的表达谱,还鉴定了参与主要生物活性化合物(包括生物碱、黄酮类和异黄酮类)生物合成的基因和通路。

该组装完成的基因组揭示了近期分化的豆科植物中发生的非常不同的进化轨迹导致了更小的重复基因组(羽扇豆)。

图1:基因和重复序列在苦参基因组中分布的环图。

代表GC含量的外环的Y轴表示100Kb基因组片段中GC碱基的比例。代表基因分布的中环的Y轴表示100Kb基因组片段中的基因数量。代表重复序列的内环的Y轴表示100Kb基因组片段中重复序列覆盖的碱基的比例。

(三)系统发育分析

苦参在豆科植物中具有最高的基因扩展率,并且与其他豆科植物(包括其最接近的近亲羽扇豆)相比,遵循着显著不同的基因组进化轨迹。

还鉴定了参与两大类生物活性化合物(生物碱和类黄酮/异黄酮类)生物合成的基因/蛋白质,证实了苦参基因组的高质量。

该基因组将成为宝贵的遗传资源,可用于了解苦参中生物活性化合物的生物合成、植物育种和不同地理苦参亚种的分子鉴定。

图2:苦参与其他16个豆科植物和9个非豆科植物的系统发育树

图3:不同豆科植物中不同类型的发生复制的基因的数量

质量控制

苦参全国各地资源分布广泛,主要分布在太行山区、长白山区和秦岭一带,以山西、河南、河北产量较大。山西是苦参的道地产区,适宜的壤质、湿度、温度为苦参提供了良好的生长环境,已成为全国苦参药材的主产地和人工种植地区。

目前苦参最大的苦参AMP种植基地是振东平顺种植基地,占地10万亩,被称为“苦参种质资源库”,出版唯一苦参专著《中国苦参》,牵头修订2020年药典中苦参标准及建立苦参团体标准。为全面掌握苦参种植资源情况,振东集团曾先后3次开展了全国苦参野生资源大调查。研究表明,山西长治苦参生物碱含量高达3.75%,是全国苦参生物碱含量最高的地区。

未来苦参的基础研究将同时聚焦组织或单细胞水平上由DNA甲基化、非编码RNA、组蛋白修饰、三维基因组等参与的药效物质调控研究。在此基础上,应用(CRISPR-Cas9)基因编辑体系改造天然产物生物合成和调控相关基因,实现苦参分子育种。

（来源：河北广播电视台）

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