中国农科院基因组所李伟团队揭示被子植物异嗪皮啶生物合成与演化规律—《Nature Communications》
国家级科研机构在核心期刊发表的中药材基因组与合成生物学突破，方法扎实、结论可靠，对中药分子育种有实质指导价值。
中国农科院基因组所(大鹏湾实验室)李伟团队联合王丽团队在《Nature Communications》发表研究,完成草珊瑚染色体水平高质量基因组组装(基因组大小 4.23 Gb),鉴定出活性成分异嗪皮啶生物合成的关键 O-甲基转移酶 SgOMT3 及关键氨基酸残基 Leu127;揭示 OMT 在被子植物远缘科属中的功能保守性与分化轨迹,为传统中药现代分子育种提供关键基因靶点。
近日，中国农科院基因组所（大鹏湾实验室） 李伟团队联合王丽团队在 《自然通讯（Nature Communications）》 在线发表了题为“Sarcandra glabra genome unveils functional conservation and divergence of O-methyltransferases catalyzing isofraxidin biosynthesis in angiosperms”的研究论文。该研究整合基因组、转录组和代谢组等多组学分析，并结合体外酶活性验证与体内毛状根功能验证，鉴定出活性成分异嗪皮啶生物合成的关键O-甲基转移酶，并通过该酶及其同源基因的演化分析和定点突变揭示了异嗪皮啶生物合成相关O-甲基转移酶（OMT）在被子植物远缘科属中的功能保守性与分化轨迹，为传统中药现代分子育种提供了关键基因靶点和理论技术支撑。
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研究首先根据物质结构推测了异嗪皮啶的生物合成途径：秦皮素前体在O-甲基转移酶的催化下分别生成异嗪皮啶和嗪皮啶。代谢分析结果表明异嗪皮啶在根组织中含量最高。利用PacBio HiFi联合Hi-C技术完成草珊瑚染色体水平高质量基因组组装，基因组大小4.23 Gb（图1）。
图1 | 异嗪皮啶生物合成途径、组织特异性与草珊瑚基因组组装分析
基于草珊瑚转录组与异嗪皮啶含量的相关性分析，筛选出4个与异嗪皮啶合成高度相关的OMT基因。体外蛋白酶活结果表明SgOMT3能够催化底物秦皮素生成异嗪皮啶，而SgOMT3的旁系同源基因均已丧失催化生成异嗪皮啶的能力（图2）。
图2 | 草珊瑚中异嗪皮啶合成关键OMT酶的筛选与催化活性鉴定
对来源于双子叶和金粟兰科的11个SgOMT3直系同源蛋白进行比对，筛选决定异嗪皮啶催化合成活性的关键氨基酸位点。结合蛋白质结构预测、分子动力学模拟、定点突变与活性测定，表明Leu127是SgOMT3催化合成异嗪皮啶的关键氨基酸残基（图3）。
图3 | SgOMT3催化异嗪皮啶合成的关键氨基酸残基鉴定
8个SgOMT3直系同源基因酶活结果表明，在双子叶植物的演化过程中，异嗪皮啶合成特异性逐渐增强，而作为进化早期的金粟兰科OMT蛋白保留了较为原始的催化特征。随后通过多序列比对、分子动力学模拟与活性解析，表明Leu307是决定异嗪皮啶合成特异性的关键氨基酸残基（图4）。
图4 | 被子植物中异嗪皮啶合成OMT酶功能保守性与区域选择性差异
基因组所（大鹏湾实验室） 李伟研究员和王丽研究员为论文的共同通讯作者。基因组所助理研究员谢德金博士、中国科学院大学博士研究生余熙恺和深势科技陈家楠博士为论文共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国农科院青年英才和深圳市科技计划项目和中国农业科学院重大科技任务等项目的支持。