Science：中國學(xué)者揭示罌粟基因組及嗎啡合成的奧秘
自古以來，關(guān)于鴉片罌粟（又名罌粟）的兩面性人們爭論不休，一方面，它能緩解人類疾病痛苦，《本草求原》記載“性同于粟殼，而止痢止痛行氣之效尤勝”；另一方面，長期大量使用，可使人成癮。從新石器時代，人類一直在探究其奧秘，但知其然，不知其所以然。
8月31日，西安交大葉凱教授團(tuán)隊、英國約克大學(xué)Ian Graham院士團(tuán)隊、英國Sanger研究所寧澤民研究員，利用最新的基因組研究技術(shù)，深度挖掘罌粟基因組，相關(guān)研究以“The opium poppy genome and morphinan production”為題，發(fā)表在最新一期的《Science》雜志上。
植物基因組的復(fù)雜性眾所周知，罌粟的基因組存在大量（~70%）的重復(fù)序列，且經(jīng)歷了多次大規(guī)模的結(jié)構(gòu)變異，使得解析該基因組異常困難。破解罌粟基因組是當(dāng)今科學(xué)界亟待破解的難題。
研究團(tuán)隊利用多種前沿基因組測序技術(shù)、復(fù)雜數(shù)學(xué)模型、深度挖掘及分析方法破譯該基因組并揭示其進(jìn)化歷史。
圖1. 罌粟基因組特征及主要進(jìn)化事件
葉凱團(tuán)隊與英國團(tuán)隊合作，以英國本土罌粟植物為對象，歷時兩年，首次在國際上完成了罌粟全基因組測序及高質(zhì)量組裝分析。同時，通過開發(fā)利用基因組深度挖掘算法及模型，發(fā)現(xiàn)了（1）罌粟基因組大小約為28億個堿基對，共11條染色體，編碼51213個基因;（2）罌粟在距今780萬年發(fā)生了一次全基因組加倍事件，早于20萬年前智人首次出現(xiàn);（3）罌粟在毛茛科和罌粟科植物分化之前（距今至少1.1億年）曾發(fā)生基因組片段加倍事件；（4）首次發(fā)現(xiàn)罌粟合成那可丁和嗎啡類生物堿的15個基因在11號染色體上形成超級基因簇；（5）該基因簇在根、莖部特異表達(dá)且共表達(dá)；（6）罌粟進(jìn)化過程中經(jīng)歷的基因組加倍事件和多次基因片段擴(kuò)增、丟失、融合和重排等形成了該超級基因簇。
該成果揭示了罌粟基因組進(jìn)化歷史的主要加倍和重排事件及鴉片有效成分的合成途徑的進(jìn)化歷史；為使用分子育種方法進(jìn)一步改良罌粟奠定基礎(chǔ)。
“罌粟基因組存在大量重復(fù)序列，且過去億年間的各種進(jìn)化事件疊加融合，使得解析該基因組變的異常困難。我們利用多種前沿基因組測序技術(shù)、復(fù)雜數(shù)學(xué)模型、深度挖掘及分析方法破譯該基因組并揭示其進(jìn)化歷史”，葉凱表示，“有趣的是，正是由于各種基因組結(jié)構(gòu)變異的疊加積累，造成了兩種代謝通路基因的聚集和共表達(dá)，形成了一個超級基因簇，從而能夠協(xié)同高效合成新的次生代謝物?！?/p>
英國約克大學(xué)生物系教授、英國皇家科學(xué)院院士、本文共同通訊作者Ian Graham教授說：“近幾十年來，生物化學(xué)家一直對地球上的植物如何衍變和產(chǎn)生如此豐富的次生代謝產(chǎn)物充滿好奇。我非常高興能夠參與該項目，利用高質(zhì)量基因組破譯罌粟中合成次生代謝產(chǎn)物的奧秘。同時，該項目對開發(fā)分子植物育種工具，培育新品種具有重要意義，可用于產(chǎn)生可靠、廉價、有效的止痛藥，造福全人類“。
