一個(gè)高質(zhì)量的黃連染色體規(guī)模的基因組組裝和注釋
黃連 (Coptis chinensis Franch.) 是毛茛科的一員，代表了一個(gè)重要的早期分叉雙子葉植物譜系，具有多種藥用價(jià)值。
2021年6月2日，湖北省食品藥品監(jiān)督檢驗(yàn)研究院聶晶，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)王學(xué)奎，中國中醫(yī)科學(xué)院陳士林及湖北中醫(yī)藥大學(xué)Liu Yifei（湖北中醫(yī)藥大學(xué)為第一單位）共同通訊在Nature Communications 在線發(fā)表題為“Analysis of the Coptis chinensis genome reveals the diversification of protoberberine-type alkaloids”的研究論文，該研究提出了一個(gè)高質(zhì)量的黃連染色體規(guī)模的基因組組裝和注釋。系統(tǒng)發(fā)育和比較基因組分析揭示了該物種的系統(tǒng)發(fā)育位置，并確定了毛茛科共有的單輪古代全基因組重復(fù) (WGD)。
該研究表征了參與黃連原小檗堿型生物堿生物合成的基因。特別是，局部基因組串聯(lián)重復(fù)有助于細(xì)胞色素 P450 (CYP) 719 毛茛屬進(jìn)化枝特異性基因家族的成員擴(kuò)增。 該研究提供了對(duì)早期真雙子葉植物基因組景觀的見解，并為毛茛屬的遺傳和應(yīng)用研究提供了有價(jià)值的模型基因組。
黃連屬的物種是世界上有益于人類健康的最珍貴的藥材之一。黃連（Coptidis rhizome，CR）的根莖，中文又名“黃連”，幾千年來一直被收錄在許多中醫(yī)經(jīng)典方劑中。在中國漢代（公元前202年-公元220年），黃連的藥用首先被列入神農(nóng)本草（神農(nóng)本草經(jīng)）。在明朝（公元 1368 年 -公元1644 年），中國植物學(xué)和醫(yī)學(xué)百科全書《本草綱目》中已經(jīng)詳細(xì)記載了中國金線的藥理作用和用途。黃連苦味的活性成分和作用劑主要是小檗堿、黃連堿、藥根堿、巴馬汀、蒺藜、表小檗堿、木蘭素等原小檗堿類生物堿。已經(jīng)報(bào)道了這些生物堿的各種藥理特性，包括治療一般感染性和炎癥性疾病的特性，以及與心血管、糖尿病、癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)的健康問題的預(yù)防和治療特性。
黃連屬與毛茛科的其他成員一起，對(duì)于它們?cè)诂F(xiàn)存開花植物樹中的關(guān)鍵系統(tǒng)發(fā)育位置也很重要。在毛茛科中已描述了兩千多種，其中大部分是草本植物。其中，大約有 15 種黃連被確認(rèn)，其中大部分僅限于從東亞到北美的暖溫帶氣候和寒冷針葉林的較小地理區(qū)域。在我國，黃連是分布較廣的黃連屬植物，其干燥根莖是中藥中“黃連”最常用的原料。毛茛科代表早期進(jìn)化的雙子葉植物中的一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)化譜系。然而，毛茛科的基因組資源是有限的，這阻礙了與其他真雙子葉植物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的深入了解。
日本黃連 C. japonica 與 Papaver somniferum (opium poppy) 和 Eschscholzia californica (California poppy) 一起，在歷史上一直作為研究芐基異喹啉生物堿 (BIA) 生物合成的模型。BIA 是一組復(fù)雜多樣的天然產(chǎn)物，但它們的存在被認(rèn)為僅限于某些植物科，包括木蘭科、毛茛科、罌粟科和小檗科。
在罌粟中，最豐富的生物堿是嗎啡烷（即嗎啡、可待因和蒂巴因）、鄰苯二甲酸異喹啉那可丁和 1-芐基異喹啉罌粟堿，它們主要存在于氣生組織的乳膠中 。罌粟的基因組分析允許表征與那可丁和嗎啡喃的生物合成相關(guān)的 BIA 基因簇，表明潛在的選擇壓力有利于這些生物堿的快速形成和進(jìn)化。相比之下，黃連地下根莖中豐富的原小檗堿型生物堿的進(jìn)化機(jī)制尚不清楚，但這些信息對(duì)于理解植物中 BIA 的多樣化至關(guān)重要。
在這里，該研究組裝了一個(gè)高質(zhì)量的黃連染色體規(guī)模的基因組。該研究進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育和比較基因組分析，以確定黃連作為早期進(jìn)化雙子葉植物中的關(guān)鍵譜系的系統(tǒng)發(fā)育位置。研究人員推斷，在黃連進(jìn)化過程中發(fā)生了一輪全基因組重復(fù) (WGD)，并表征了來自細(xì)胞色素 P450 (CYP) 家族的基因，這些基因?qū)S連中原小檗堿型生物堿的生物合成和多樣化有很大貢獻(xiàn)。黃連參考基因組提供了對(duì)真雙子葉植物進(jìn)化的見解，對(duì)于毛茛屬的未來遺傳研究和藥用應(yīng)用很有價(jià)值。
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