中国科学家首次解锁“植物大熊猫”红豆杉基因密码

紫杉醇作为抗癌药物在临床治疗被广泛应用，它的生产原料主要来源于红豆杉。

近日，中国科学家首次 “解锁” 红豆杉参考基因组图谱，对南方红豆杉进行了全基因组测序。

该成果由湖南农业大学和中国农业科学院（深圳）农业基因组研究所（以下简称基因组所）等单位共同研究。4 月 30 日，相关研究以 “The Taxus Genome Provides Insights into Paclitaxel Biosynthesis” 为题发表在在线预印平台 bioRxiv。

图丨相关论文（来源：bioRxiv）

基因组所研究员熊兴耀、苟君波博士后、助理研究员廖庆刚，和湖南农业大学副教授李炎林为该论文共同第一作者，基因组所研究员闫建斌和黄三文为共同通讯作者。

人工合成难在哪？

据了解，目前，世界范围内尚未形成规模化的人工种植红豆杉项目。所以，野生红豆杉显得尤为稀缺。中国农业科学院农业基因组研究所研究员闫建斌在接受媒体采访时表示，“现行的紫杉醇提取及半化学合成方法均严重依赖红豆杉资源，而目前世界范围内还没有形成大规模的红豆杉原料林基地。”

在中国，它是一级珍稀濒危保护植物；在全世界，42 个拥有红豆杉的国家把它称作 “国宝”。

红豆杉人工合成紫杉醇是一大科学难题，从半个多世纪前紫杉醇被发现开始，科学家们就致力于对它的构效关系、药物剂型、药物来源、临床应用、作用机制等方面的研究工作。

但是，迄今为止，红豆杉如何合成紫杉醇这一核心科学难题，还没有被完全 “解码”。

图丨红豆杉基因组特征（来源：bioRxiv）

该论文共同通讯作者、基因组所研究员黄三文在接受媒体采访时也表示，紫杉醇有一定 “神秘色彩”。他说，“长期以来，红豆杉如何合成紫杉醇，尚未有详尽的研究结论。”

对此闫建斌解释称，“本次研究对红豆杉基因组的测序完成，为解决该关键科学问题提供了重要基石，也为下一步开发绿色环保、可持续生产的紫杉醇合成策略提供了思路”。

图丨红豆杉细胞色素 P450 的进化和基因组结构 （来源：bioRxiv）

据研究结果，研究人员确定了南方红豆杉基因组具体数据，“大小为 10.23 Gb，Contig N50 为 2.44 Mb，其中 9.86 Gb 的组装数据被挂载到了红豆杉基因组的 12 条染色体上。”

闫建斌表示，“我们通过对南方红豆杉单倍型胚乳材料进行全基因组测序，成功组装了染色体级别的高质量参考基因组。”

研究显示，“通过系统分析紫杉醇合成相关基因的基因组定位与协同表达调控，绘制了多个相关基因家族的基因组位置图谱，特别揭示了细胞色素 P450 家族的基因组分布和调控规律。该研究首次发现了紫杉醇合成基因在红豆杉 9 号染色体上的聚集分布现象，并在其中鉴定了首个紫杉醇生物合成基因簇，由六个基因串联组成，其主要负责前两步的催化紫杉醇生物合成，这为抗癌药物紫杉醇的生物合成的奠定良好的遗传基础。”

该论文共同第一作者熊兴耀在接受媒体采访时表示，“研究显示，该红豆杉基因组经历了一次古代的全基因复制事件，并且其基因组中的重复序列经历了长期而连续的插入过程。在漫长的进化过程中，红豆杉不仅形成了独特的 Gypsy 和 Copia 转座子家族，而且进化出独有的紫杉醇生物合成相关基因家族。”

图丨紫杉醇生物合成基因簇的功能鉴定（来源：bioRxiv）

据闫建斌介绍，“在此次研究中，科研人员利用第三代测序技术，获得基因组的测序读段（reads），高深度的测序饱和覆盖南方红豆杉基因组，然后再从头拼接，从而还原红豆杉各染色体的序列片段。科研工作者们结合辅助基因组组装Hi-C测序方法，捕获全基因组范围内整染色体质DNA在空间位置上的关系，确定序列片段在染色体上的方向和顺序，最终确定基因组各染色体上ATCG四种碱基的排列顺序。”

中国科学家们对红豆杉基因密码的“解锁”，是红豆杉和紫杉醇研究领域的重大进展。这打破了长期以来国外在该领域研究处于领先地位的格局，不仅提升了相关领域的技术水准，并且，通过紫杉醇生物合成底盘的设计和开发与调控，将进一步在其产业化方面起到积极促进作用。

-End-

参考：
https://doi.org/10.1101/2021.04.29.441981