山蒼子基因組圖譜揭秘精油合成分子機制

　　山蒼子，是我國南方家喻戶曉的一種香樹，其果實有香氣，無毒，可治療急性肺炎，有抗病毒抗菌消炎作用。山蒼子精油還是高級化妝品紫羅蘭酮的原料。

山蒼子花 陳炳華攝

　　4月3日，《自然—通訊》在線發表中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所（以下簡稱亞林所）研究員汪陽東團隊的重要成果。該團隊成功組裝全球首個染色體級別的高質量山蒼子基因組圖譜，并基于此揭示樟科物種進化及其精油合成分子機制。

　　南方有香樹

　　我國山蒼子栽培面積21.60萬畝，精油年產量14.01萬噸，為世界上最大的生產國和出口國，每年產生的經濟價值約20億元。

　　山蒼子作為木蘭類分支樟目樟科的代表種之一，鮮果皮精油含量高達到4%~7%，單萜化合物含量高達98%。實際上，山蒼子所屬的樟科植物普遍富含豐富的單萜化合物，即樟腦、桉葉油醇、檸檬醛等。樟科植物是我國南方重要的經濟和生態樹種，全國約有20屬、423種，在材用、藥用、香料、醫藥方面都有重要的經濟價值。

　　“目前，對樟科植物果實精油及精油主要成分單萜化合物的生物合成機理尚不清楚，制約了樟科植物精準育種。”中國科學院院士錢前告訴《中國科學報》。

　　論文通訊作者汪陽東介紹，樟科花小、花序形態多樣、存在雙性花和單性花，使得其形態演變及進化位置研究困難；樟科特殊香味關鍵化合物合成機理尚不清楚。因此，從基因組水平探討樟科的進化、花形態演變分子證據及特殊香味的遺傳基礎，對揭示樟科植物的生物學特性、應用推廣及遺傳育種具有指導作用。

　　木蘭類與雙子葉植物為姐妹類群

　　2016年10月，汪陽東團隊啟動了山蒼子基因組測序項目。經過3年多努力，圓滿完成項目，獲得了大小為1.37G，contig N50為607.34kb的基因組。通過Hi-C技術，他們進一步將基因組錨定到24條染色體上，錨定率94.56%，獲得質量優良的山蒼子基因組圖譜。

　　汪陽東介紹，為開展樟科形態演變和香味合成的分子基礎研究，他們對樟科在中國分布的20屬47個代表種進行了低蓋度基因組測序，16屬23個代表種進行了混合組織和花苞轉錄組測序。

　　“基于山蒼子基因組圖譜和樟科各屬代表種組學信息，我們發現，不完全譜系分選對木蘭類與單雙子葉植物分化起重要作用。”汪陽東在接受《中國科學報》采訪時解釋道，一般來說，物種間的關系可以通過一個或多個基因來進行還原。但當新物種形成過程極其迅速時，來自祖先的等位基因在分化后的物種中隨機分配。這種不完全譜系分選的現象為通過基因樹構建物種系統演化帶來了極大障礙。

　　“木蘭類植物的系統發育位置一直以來都是被子植物進化研究的熱點問題。已發表的木蘭類植物基因組獲得了不一致的結果，木蘭類既可能與單雙子葉呈姐妹群，也可能分別與單子葉或雙子葉呈姐妹群。我們的發現為樟科復雜的系統發育關系提供了新的證據。”汪陽東說。

　　山蒼子屬于木蘭類植物。汪陽東說：“基于山蒼子與其他被子植物基因組數據的系統發育分析，我們的結果較為支持木蘭類與雙子葉植物呈姐妹類群，晚于單雙子葉分化后起源。”但基于溯祖法的系統發育異質性評估發現，不同的單拷貝基因顯示出了不同的拓撲結構。這也說明木蘭類的系統發育位置，不單單只通過增加數據就能夠完全確定，其背后還隱藏著復雜的物種形成事件，例如不完全譜系分選等。

　　“該結果推進了木蘭類系統位置的探索工作，將其系統發育問題提升為其起源與進化的問題。”汪陽東說。

　　揭秘樟科各代表屬系統進化關系

　　“我們在山蒼子基因組中識別出了兩次基因組復制事件（WGD）。古老的一次發生于木蘭目與樟目分化之前不久，年輕的一次發生在樟科分化以前。”論文第一作者、亞林所副研究員陳益存告訴《中國科學報》。

　　陳益存進一步解釋說，樟科有一些物種也具有兩次基因組復制事件，但并不共享樟科近期的基因組復制事件，而是這些類群自身所特有的。

　　“有趣的是，樟科植物無根藤中并未識別出基因組復制事件，其特殊習性所導致的高堿基替換率是潛在的原因。”陳益存說，樟目的物種在大約300萬年前經歷了快速輻射，與基因組復制事件發生的時間一致。這說明基因組復制事件推動了樟目中的物種分化。

　　不同單拷貝基因的ASTRAL溯祖分析也暗示，在賽楠屬、月桂屬、山胡椒屬、蓮桂屬以及鱷梨屬等各自所在的分支曾發生過復雜的進化事件，導致了其多變的系統位置，是否存在網狀進化或未完全譜系分選事件有待進一步的研究。

　　同時，樟目共享的基因組復制事件，是否由各分支獨立的多次基因組復制事件組成，有待進一步的研究。

　　此外，該團隊通過樟科內不同分支代表種的轉錄組數據，揭示了樟科內部的系統發育框架。結果顯示，無根藤為樟科最早分化的類群，而厚殼桂屬、瓊楠屬、檬果樟屬共同祖先的分化事件則稍晚于無根藤。

　　重要基因的鑒定

　　有了高質量基因組圖譜，汪陽東團隊鑒定了幾種重要基因。

　　樟科花序形態特征是樟科分類的一個重要依據。通常，樟科花序有圓錐花序、穗狀花序、總狀花序、傘形花序。陳益存介紹，基于山蒼子基因組及樟科13屬28個物種花器官的轉錄組數據，他們發現，一個高度保守的參與花序形態發生的基因PETAL LOSS（FUWA）所構建的花序系統發育與樟科物種的系統進化對應，揭示了樟科花序從穗狀花序、穗狀圓錐花序向聚傘形圓錐花序、假傘形花序，到傘形花序演變的規律。

　　那么，山蒼子和樟科樹種特有的香味從何而來？該團隊在高質量基因組圖譜基礎上，解析了關鍵化合物形成的分子機制。

　　芳樟醇、桉葉油醇、檸檬醛、α/β蒎烯、莰烯、香葉醇等單萜化合物是樟科精油的主要成分，如山蒼子精油中單萜化合物高達98%。單萜化合物決定了精油的品質，具有抗病毒、消炎和殺菌的作用。

　　陳益存介紹，他們通過比較基因組分析發現，單萜合酶Mono-TPS在樟科發生了顯著擴張。單萜合酶主要催化單萜化合物合成。

　　為進一步挖掘調控主要單萜化合物合成的關鍵基因，他們采用同源和異源瞬時表達，以及體外酶活驗證，鑒定了調控樟科及山蒼子精油主要化合物合成的關鍵酶基因LcuTPS42。

　　錢前評價道，汪陽東團隊以山蒼子為研究對象做出的最新成果，揭示了單萜合酶基因家族在樟科中的演化，有效促進了樟科植物單萜化合物的多樣性和特異性，對揭示樟科植物的生物學特性、指導樟科遺傳育種研究，特別是加速分子育種進程具有指導作用。

　　汪陽東告訴記者，下一步，基于基因組數據，結合大群體，他們將進行山蒼子精油品質和產量相關的分子標記精準預測研究；結合建立的山蒼子遺傳轉化體系，進一步挖掘、鑒定和應用山蒼子精油產量和品質的主效基因，為山蒼子遺傳改良提供基礎；同時進一步挖掘樟科性別相關分子標記，為開展山蒼子苗期性別鑒定奠定基礎。