北京林業(yè)大學(xué)/北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院張德強教授團隊破譯了重要藥用植物山茱萸高質(zhì)量基因組，首次完整揭示了其藥用活性成分馬錢苷的生物合成路徑與進(jìn)化機制。這一研究成果日前以學(xué)術(shù)論文的形式發(fā)表在園藝領(lǐng)域重要學(xué)術(shù)期刊《園藝研究》上。專家認(rèn)為，這一突破不僅為山茱萸的藥用開發(fā)提供了重要理論基石，也為馬錢苷的生物合成與高效生產(chǎn)提供了思路。

據(jù)張德強教授介紹，山茱萸是山茱萸科山茱萸屬植物，廣泛應(yīng)用于“六味地黃丸”等經(jīng)典方劑中，具有滋補肝腎、澀精固脫等功效。其藥用價值主要來源于環(huán)烯醚萜類成分，尤其是馬錢苷，已被現(xiàn)代藥理學(xué)證實具有顯著的抗腫瘤、降血糖和腎臟保護(hù)作用。然而，受制于高質(zhì)量基因組缺乏，相關(guān)候選基因的篩選及馬錢苷生物合成通路的進(jìn)化研究鮮有報道，嚴(yán)重制約了其工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用。

為破解這一難題，張德強教授團隊采用多方法整合策略，聯(lián)合二代與三代測序技術(shù)，并結(jié)合Hi-C技術(shù)和BioNano光學(xué)圖譜技術(shù)，成功組裝了山茱萸染色體水平的高質(zhì)量參考基因組（2n = 18），共注釋到41,911個蛋白編碼基因。

據(jù)介紹，比較基因組進(jìn)化分析顯示，在山茱萸物種形成與演化過程中分別有3,061 個和2,215 個基因家族發(fā)生了擴張與收縮；其中，NAC轉(zhuǎn)錄因子家族與萜烯合酶基因家族的擴張，是山茱萸適應(yīng)復(fù)雜多變環(huán)境的主要驅(qū)動因素。該團隊的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，山茱萸在與鵑形目植物（如茶樹）分化后，約在 6,700 萬年前經(jīng)歷了一次獨立的全基因組復(fù)制事件，進(jìn)化過程中基因組轉(zhuǎn)座子擴張與轉(zhuǎn)座元件DNA甲基化水平降低，共同驅(qū)動了山茱萸基因組與染色體結(jié)構(gòu)的快速演變。

研究團隊鑒定了山茱萸特有的馬錢苷合成通路關(guān)鍵基因簇。分子動力學(xué)模擬與酶動力學(xué)分析表明，與近緣物種相比，山茱萸LAMT 酶能夠優(yōu)先催化馬錢苷酸的C-9 位羥基化反應(yīng)，顯著增強了馬錢苷酸向馬錢苷的催化活性。特別可喜的是，團隊將山茱萸LAMT基因及其上游調(diào)控因子導(dǎo)入本氏煙草，成功實現(xiàn)了馬錢苷衍生物的從頭生物合成。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，這一研究揭示了山茱萸中完整的馬錢苷生物合成通路，為馬錢苷及其衍生物的藥物開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了科學(xué)理論指導(dǎo)。

據(jù)了解，北京林業(yè)大學(xué)/北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院張德強教授為這一論文的通訊作者，博士研究生張翔和謝劍波教授為論文共同第一作者。澳大利亞CSIRO的柳青教授以及團隊吳家東博士等研究生參與該研究工作。這項研究得到了國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金項目以及111引智計劃的聯(lián)合資助。

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