三葉崖爬藤（Tetrastigma hemsleyanum）是葡萄科崖爬藤屬多年生草質(zhì)藤本植物，塊根或全草入藥，也稱三葉青?！侗静菥V目》記載“三葉青，性味苦、辛、涼，清熱解毒、活血祛風”，現(xiàn)代藥理研究亦證實，其在抗病毒、抗氧化、免疫調(diào)節(jié)以及抗腫瘤等方面均有療效。目前，三葉青已被列為新“浙八味”中藥材培育品種之一，是浙江省新冠肺炎一號方“化濕宣肺合劑”的主要成分。武漢植物園東亞植物演化、保護與利用學科組邱英雄研究員團隊近日以“Chromosome-level reference genome of Tetrastigma hemsleyanum (Vitaceae) provides insights into genomic evolution and the biosynthesis of phenylpropanoids and flavonoids”為題在《The Plant Journal》發(fā)表了三葉青研究論文。該論文基于Illumina、PacBio long reads和Hi-C測序技術相結(jié)合的組裝策略獲得了三葉青高質(zhì)量參考基因組，解析了其基因組進化特征；結(jié)合轉(zhuǎn)錄組和代謝組數(shù)據(jù)，闡明了苯丙烷-黃酮類代謝途徑合成基因的重復模式及其與表達量的相關性；基于群體重測序分析，解析了黃酮類代謝產(chǎn)物在不同譜系分化的遺傳基礎。 

　　研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三葉青基因組大小為~2.19Gb，是葡萄屬物種的4~5倍?；蚪M中73.43%為重復序列，其中長末端重復反轉(zhuǎn)座子（LTR-RTs）占基因組的69%。三葉青和葡萄屬植物同樣只經(jīng)歷1次gamma全基因組復制事件，而LTR-RTs尤其是Copia和Gypsy家族在三葉青基因組擴張中發(fā)揮了主要原因。基因家族分析表明，三葉青特有基因家族和擴張基因家族主要與多種活性成分如黃酮類、萜類、芪類、脂肪酸、生物堿等合成有關，還有一些基因則參與植物的防御、響應環(huán)境脅迫以及晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)等，這可能與三葉青具有較強的環(huán)境適應性有關。 

　　為了全面解析三葉青的代謝物組成，研究團隊利用LC-MS 技術對三葉青的不同組織（根、莖、葉）進行檢測，共檢測到941種化合物，其中黃酮類多達148種。由于黃酮類物質(zhì)是三葉青的主要有效成分，研究團隊結(jié)合基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，通過同源比對和結(jié)構域鑒定方法解析了代謝途徑中的關鍵酶基因家族和轉(zhuǎn)錄因子，重構了三葉青的苯丙烷-黃酮類合成途徑。同時，我們發(fā)現(xiàn)通路中的大部分關鍵酶基因家族如PAL、CHS、CHI相比葡萄屬物種發(fā)生了顯著的擴張，擴張主要來源于串聯(lián)重復。此外，我們還發(fā)現(xiàn)這些重復基因存在一致性高表達的現(xiàn)象，可能促進了下游代謝物的合成與積累。對來自同質(zhì)園中兩個譜系代表性地區(qū)（西南譜系：廣西；中東部譜系：浙江）的塊根進行了轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析，結(jié)果顯示來自浙江的三葉青塊根含有更多的次生代謝產(chǎn)物如黃酮、多糖、萜類等。研究團隊進一步對來自這兩個譜系的38份樣本進行了重測序和群體基因?qū)W分析，在譜系間高分化區(qū)域內(nèi)鑒定到一系列與性狀發(fā)育、響應外界刺激及苯丙烷-黃酮類合成途徑相關的基因，可能促進了東西譜系重要表型（如塊根大小、代謝產(chǎn)物含量）的分化。 

　　本研究結(jié)果為探明三葉青藥用活性成分的生物合成和調(diào)控機制奠定了基礎，也為三葉青野生資源的引種、馴化和育種提供了指導。浙江大學博士后朱珊珊（現(xiàn)為寧波大學副研究員）、博士生張心怡和任超前為論文共同第一作者，中國科學院武漢植物園邱英雄研究員為論文通訊作者，浙大生科院傅承新教授、中科院植物所洪德元院士在項目設計與實施過程中給予了指導。研究得到浙江省十四五育種專項、浙大-杭州三葉青公司校企合作等項目的支持。 

　　論文鏈接

圖1 三葉青與葡萄屬物種基因組大小和重復序列占比的差異

圖2 三葉青中苯丙烷代謝通路以及編碼酶的基因在不同組織中的表達

圖3（a）苯丙烷通路中編碼酶的基因在三葉青、葡萄、河岸葡萄和擬南芥中的拷貝數(shù)；（b）PAL；（c）CHS和STS；（d）CHI系統(tǒng)發(fā)育分析

圖4 （a）CSE譜系根與葉的形態(tài)；（b）SW譜系根與葉的形態(tài)；（c）在CSE（ZJ）和SW（GX）譜系分別上調(diào)表達的代謝物的KEGG富集分析結(jié)果；（d）SW和CSE譜系Z-F_ST曼哈頓圖，藍色實線表示Z-F_ST >2, 紅色標注是苯丙烷通路中基因