我校陈晓阳/彭昌操研究团队在黄梁木基因组进化及卡丹宾生物合成路径研究方面取得新进展

审核发布:宣传部 曾子焉 来源单位及审核人:林学与风景园林学院 陆永超 发布时间:2021-11-25浏览次数:1579

  近日,我校林学与风景园林学院陈晓阳/彭昌操教授研究团队关于黄梁木基因组进化及卡丹宾生物合成路径的最新研究成果在植物学TOP期刊The Plant Journal(DOI: 10.1111/tpj.15600)发表。这是该团队十余年来围绕华南地区乡土阔叶树种种质资源评价与利用方面在继Carbohydrate Polymers, Industrial Crops & Products,Frontiers in Plant Science等国际期刊发表系列论文(28篇)之后所取得的重要研究进展。研究论文:Chromosome-level assembly of Neolamarckia cadamba genome provides insights into the evolution of cadambine biosynthesis链接:https://onlinelibrary.wiley.com/action/doSearch?AllField=CADAMBA&SeriesKey=1365313x)。

  黄梁木作为世界公认的“奇迹树”,生长速度快,具有广泛的木材用途和药用价值。其富含的单萜吲哚类生物碱(MIAs)卡丹宾及二氢卡丹宾因具有抗疟剂、镇痛、消炎和抗肿瘤功能被广泛应用。课题组在对我国及东南亚地区黄梁木种源/家系进行收集和评价的基础上,通过全基因组测序组装了高质量的染色体水平基因组草图(22条染色体,744.5 Mb),提出了卡丹宾生物合成的路径。

黄梁木22条染色体基因组图谱及其进化分析

  比较基因组分析发现,3100万年前黄梁木(Neolamarckia cadamba)和中果咖啡(Coffea canephora)开始分化并分别经历了2次和1次全基因组复制(WGD)事件,导致了黄梁木进化成以卡丹宾为主的MIA生物合成途径,而中果咖啡则以合成嘌呤生物碱(PAs)为主。黄梁木(N.cadamba)与中果咖啡(C. canephora, 11条染色体)基因组共有186个共线性区域,WGD所获得的复制基因主要富集于"glucose metabolism""terpene synthase"路径。443个基因受到正选择(PSGs, p-value<0.01, FDR < 0.05),主要参与N-聚糖合成、葡萄糖异生作用。

  综合全基因组关联分析(GWAS)、群体分析、转录组分析和质谱分析等手段,研究团队鉴定到了异胡豆苷、环氧异胡豆苷、二氢卡丹宾和卡丹宾等关键性中间产物和最终产物及其关键酶编码基因NcSTR1/14/19/29/35NcSQE1/6NcLAMT1/2NcSLS4NcTDC2。上述基因的共表达模式显示出卡丹宾的生物合成需要其上游合成路径中吲哚类前体物质共同参与。体外实验也证明了黄梁木NcSTR1催化色胺和裂环马钱子苷合成异胡豆苷,与长春碱(来自长春花,Catharanthus roseus)、喜树碱(来自喜树,Camptotheca acuminata)共享MIA生物合成的上游路径。团队还鉴定到一个新的中间产物——环氧异胡豆苷 (C27H34N2O10, m/z 547.2285),这为全面解析卡丹宾生物合成的下游通路奠定了坚实的基础。

卡丹宾生物合成路径及其关键酶编码基因

  林风学院赵小兰副教授、欧阳昆唏副教授和杨静(博士后)为论文的共同第一作者,陈晓阳教授和彭昌操教授为论文的共同通讯作者。该论文受到国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学基金、广州市科技计划和广东省高校青年创新人才计划等项目的资助。(文图/林学与风景园林学院 彭昌操)

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