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穿心莲基因组

药用植物穿心莲基因组提供了生物活性二萜类新穿心莲内酯生物合成的洞察。
 

贝纳基因联合中国中医科学院中药研究所共同完成了中药大品种穿心莲的全基因组测序工作,并在此基础上结合代谢组学及功能基因鉴定等工作对穿心莲内酯及新穿心莲内酯的合成途径进行了进一步的解析,发表在PlantJournal杂志(doi:10.1111/tpj.14162)。
穿心莲(Andrographispaniculata)是一种草本药用植物,可以产生大量的抗炎二萜内酯类物质穿心莲内酯、新穿心莲内酯及其类似物。穿心莲之名首载于民国《岭南采药录》,其性味苦,寒。归心、肺、大肠,有清热解毒、凉血、燥湿之功效;穿心莲内脂并有抑菌、解热、抗炎等作用。
穿心莲基因组组装的完成,为穿心莲的开发利用及其药用成分的合成生物学研究奠定基础。中药基因组复杂,杂合度高,贝纳基因团队克服了在二代测序技术时代解决不了的高杂合、高重复基因组组装的难题,这一工作将极大的推动植物基因组尤其是药用植物基因组测序的发展。
 

文章发表
标题:The medicinal plant Andrographis paniculata genome provides insight into biosynthesis of the bioactive diterpenoid neoandrographolide

期刊名:The Plant Jounal

影响因子:IF=5.775
 

物种概况
穿心莲(Andrographispaniculata)属于爵床科(Acanthaceae)的药用草本植物。已被收录在《中华人民共和国药典》和《印度阿育吠陀药典》中。在中国传统医药应用中穿心莲具有清热解毒、凉血,消肿的功能,主要用于感冒发热、咽喉肿痛,口舌生疮等疾病的治疗。现代医学证明穿心莲内酯是其的主要有效成份,具有消炎止痛之功效。现代研究显示穿心莲对细菌性与病毒性上呼吸道感染及痢疾有特殊疗效,被誉为天然抗生素药物。
 
测序策略

DNA测序策略
测序平台:
PacBio(42×)
Hi-C辅助基因组组装

RNA测序策略
测序平台:PacBio
组织来源:根、营养茎、幼叶、花、成熟果实,以及50nMMeJA处理0、24、48小时后的幼苗子叶
 

研究结果

1、PacBio平台生成总数据量11.8G,通过三代数据进行组装,组装基因组大小269Mb,覆盖了预估基因组的~96%,contigN50为388Kb。通过BUSCO对基因组完整性进行评估,完整性达到89.4%。通过Hi-C技术,95%以上序列挂载到24条染色体上,最大和最小长度分别是14.7Mb和7.7Mb。
2、共预测出25428个蛋白质编码基因,转录本平均长度为3412bp,CDS平均长度为1255bp。
3、穿心莲、番茄、夹竹桃和酿酒葡萄四个物种共同经历了一次多倍化事件。穿心莲在大约58.8百万年与其祖先猴面花和芝麻分离后,并没有再经历WGD事件。
4、穿心莲基因家族数量与芝麻、拟南芥和丝叶狸藻相近,与近缘物种葡萄、番茄和马铃薯相比较,发现了587个物种特异基因家族。在基因组家族扩张的这些基因组发现了两类和穿心莲内酯合成相关的关键性基因—萜烯合酶(TPS)和细胞色素P450单加氧酶(CYP)发生显著性富集,这些酶对于次级代谢产物穿心莲内酯和新穿心莲内酯的合成具有重要的作用。
5、利用茉莉酸甲酯处理的穿心莲转录组数据,鉴定出编码二萜物质合成酶、细胞色素P450单氧合酶、2-氧戊二酸依赖的二氧合酶和UDP依赖糖基转移酶。
6、Ent-copalol中间体经过细胞色素P450和其他酶类进一步修饰,提供特殊的二萜类化合物。对ApCPSs和ApKSLs基因进行功能和立体化学分析。
 
研究意义

1、对穿心莲的遗传进化机制研究和分子遗传育种等研究工作具有重要的意义;
2、对研究中药穿心莲的生物活性物质二萜内酯成分的合成具有重大的参考价值;
3、将极大推动药用植物基因组研究的发展,是本草基因组学研究的一项重要突破。
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