Nature Communications | 比較基因組助推茄科植物托品烷生物堿生物合成的進(jìn)化機制

期刊名稱：Nature Communications

影響因子：16.6

合作單位：西南大學(xué)

研究物種：顛茄+曼陀羅

研究方法：基因組學(xué)、比較基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)

研究背景

茄科是被子植物中最大的科之一，包括番茄、馬鈴薯和茄子等重要的經(jīng)濟(jì)物種。除了栽培物種外，一些物種因其致命的毒性和藥用價值也引起了關(guān)注。托品烷生物堿(Tropane Alkaloids,TAs)在茄科植物中廣泛分布，而一些重要的藥用托品烷生物堿(mecticinal tropane alkaloids,mTAs),如莨菪堿和東莨菪堿，只在少數(shù)茄科種屬中合成。目前，已經(jīng)在東莨菪堿生物合成途徑解析方面開展了大量的研究工作，然而，關(guān)于茄科植物中TAs生物合成途徑的演化機制井不清楚。

材料方法

基因組：

曼陀羅：55.88Gb Illumina+107X ?ONT+244.16 Gb Hi-C；

顛茄：145.27Gb Illumina+29.15X ?PacBio HiFi+320.93 Gb Hi-C;

轉(zhuǎn)錄組：Illumina NextSeq 500 platform;

代謝組：UPLC-MS。TAs測定

全長轉(zhuǎn)錄組：枸杞43.53Gb

研究結(jié)果

1.顛茄和曼陀羅基因組組裝注釋

作者分別利用ONT和PacBio等測序技術(shù)對曼陀羅和顛茄進(jìn)行測序和基因組組裝，組裝得到顛茄的基因組大小為～1.59Gb，contig N50為3.03Mb，scaffold N50為42.83Mb，其中99.50%的序列錨定在36個假染色體上。曼陀羅基因組大小約為1.84Gb，contig N50大小為105.17Mb，scaffold N50大小約為15609 Mb，97.42%的序列錨定在12個假染色體上。基于從頭預(yù)測、同源性預(yù)測以及轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，分別預(yù)測了70209個(顛茄)和32037個(曼陀羅)蛋白質(zhì)編碼基因。BUSCO分析顯示兩個物種都具有98.9%的完整性。

圖1-顛茄和曼陀羅基因組特征

2.比較基因組和系統(tǒng)發(fā)育分析

作者利用顛茄和曼陀羅，以及8個茄科物種和4種其他被子植物的207個單拷貝基因進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析。結(jié)果表明：顛茄和枸杞屬于一個分支，而曼陀羅、辣椒、茄子、番茄和馬鈴薯屬于另一個分支，估計矮牽牛在約43Mya(33-56Mya)從茄科物種分化而來，曼陀羅在約28Mya(23-37Mya)由順茄和枸杞組成的分支分化而來，而顛茄在大約24Mya(18-31Mya)從枸杞分化而來。Ks分析顯示，茄科物種與其他高等雙子葉植物共享較古老的伽馬古多倍體事件。對顛茄、曼陀羅和葡萄進(jìn)行基因組共線性分析，對于葡萄基因組的各個區(qū)域，通常在曼陀羅基因組中能鑒定出3個與之匹配的區(qū)域，并且在顛茄和曼陀羅之間也有相似的現(xiàn)象。

圖2-13個物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和分化時間

3.顛茄和曼陀羅具有保守的mTAs合成途徑

通過與顛茄的功能特征基因?qū)Ρ?，檢索了9個茄科物種中與TAs和mTAs生物合成相關(guān)的每個基因家族的同源基因，并構(gòu)建了各個家族的系統(tǒng)發(fā)育樹。mTAs生物合成上游途徑的大部分基因在茄科中是具有多拷貝且較保守，其系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系與種間關(guān)系一致。研究者對含有mTAs的組織進(jìn)行基因表達(dá)檢測，發(fā)現(xiàn)在生物合成步驟中至少一個mTAs相關(guān)基因在顛茄和曼陀羅的根中高度表達(dá)。

4.基因簇的進(jìn)化與TA在茄科植物中的廣泛分布有關(guān)

鑒于TAs在茄科的廣泛分布以及托品烷生物堿生物合成基因的高度保守性，作者進(jìn)一步檢測了這些基因的染色體位置，發(fā)現(xiàn)CYP82M3和TRI基因聚類在茄科除煙草以外的茄科代表物種基因組中。CYP82M3催化托品酮的形成，TRI隨后將托品酮還原生成托品堿，托品堿是TAs的核心結(jié)構(gòu)。推測該基因簇的進(jìn)化與托品烷生物堿在該科的廣泛分布有關(guān)。此外作者還發(fā)現(xiàn)，mTAs特異性基因LS和CYP80F1的缺失，決定了mTAs在茄科植物中的不均勻分布。

總? 結(jié)

本研究基于三代PacBio、Nanopore、Hi-C等技術(shù)成功構(gòu)建了2個具有代表性的產(chǎn)mTAs的物種：顛茄和曼陀羅染色體水平基因組。研究結(jié)果表明：它們在茄科中的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，但這兩個物種產(chǎn)生mTAs的生物合成途徑是保守的。保守的基因簇和基因重復(fù)構(gòu)成了TAs在該科中廣泛分布的基礎(chǔ)，導(dǎo)致mTAs的分支基因可能在茄科早期祖先物種中進(jìn)化，但在大多數(shù)譜系中都已丟失，顏茄和曼陀羅是例外。此外，研究還鑒定了一種細(xì)胞色素P450，它能將莨若堿修飾成去甲莨菪堿。此研究結(jié)果為了解茄科植物中TAs的生物合成提供了基因組學(xué)基礎(chǔ)，并將有助于通過合成生物學(xué)方法進(jìn)行mTAs的生物技術(shù)生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

Zhang F,Qiu F,Zeng J,et al.Revealing evolution of tropane alkaloid biosynthesis by analyzing twogenomes in the Solanaceae family.Nature Communications.2023.