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          重磅!李思鋒團隊聯合多家單位破譯漆樹基因組 揭示木質素和漆酚合成相關的代謝通路

          時間:2022-06-07 23:27:18來源:BAP BioArt植物作者:王 一

          重磅!李思鋒團隊聯合多家單位破譯漆樹基因組 揭示木質素和漆酚合成相關的代謝通路

           

          李思鋒團隊聯合多家單位破譯漆樹基因組

          揭示木質素和漆酚合成相關的代謝通路


          漆樹是我國重要的特用經濟樹種,據考古發現我國使用天然生漆的歷史可追溯到公元前七千多年前,據明朝黃成所撰的現今唯一傳世的漆器工藝著作《髹飾錄》記載:“漆之為用也,始于書竹簡,而舜作食器,黑漆之,禹作祭器,黑漆其外,朱畫其內。”《莊子·人世間》中也有“桂可食,故伐之;漆可用,故割之”的記載。而曾經作為禮器的漆器如今依然以其獨有的東方元素,傳承著華夏藝術瑰寶無窮魅力。

           

          漆樹是漆樹科漆樹屬落葉喬木,在我國大部分地區均有分布。其木質堅硬、細膩,是制作家具的上好材質。漆樹的葉和花果,可以入藥,有止咳、消淤、通經、殺蟲之效。果實可榨油,果皮可取蠟,漆仁油可作油漆工業的原料,也可食用,漆蠟則是制造肥皂和甘油的重要原料。漆液是天然樹脂涂料,素有“涂料之王”的美譽。因此,漆樹是天然涂料、油料和木材兼用的經濟型樹種,可謂全身皆寶。我國傳統醫學中干漆有通經、驅蟲、鎮咳的功效;藥理研究表明,漆樹中含有多種黃酮、有機酸等天然小分子具有抗癌、改善神經異常等活性。

           

          雖然我國漆樹資源豐富,但漆樹育種仍處于傳統選育階段,漆樹中漆酚的生源合成及該途徑中關鍵酶基因尚未破解,漆樹品種中特色天然產物的精細鑒定及其相關基因仍未鑒定,這些嚴重制約了漆樹綜合資源開發及分子育種進程。

           

          近日,陜西省西安植物園(陜西省植物研究所)陜西省“三秦學者”李思鋒研究員團隊在Cell Press旗下交叉學科期刊iScience在線發表了題為“The chromosome-level genome for Toxicodendron vernicifluum provides crucial insights into Anacardiaceae evolution and urushiol biosynthesis的研究論文。該研究首次獲得并公開發布了染色體級別的漆樹參考基因組序列,并揭示了漆樹木質素及漆酚合成相關的代謝通路。

          重磅!李思鋒團隊聯合多家單位破譯漆樹基因組 揭示木質素和漆酚合成相關的代謝通路

           

          本研究利用Nanopore、PacBio Sequel Ⅱ、MGISEQ-2000和Hi-C技術開展了漆樹“高八尺”進行全基因組序列測定。組裝后得到基因組大小為 491.93 M,Contig和Scaffold N50分別為5.26 Mb 和32.97 Mb,染色體掛載率為98.26%,共注釋得到32682個基因(圖1)。

          重磅!李思鋒團隊聯合多家單位破譯漆樹基因組 揭示木質素和漆酚合成相關的代謝通路

           

          圖1 高質量漆樹基因組組裝圖

           

          進化分析顯示,漆樹與P. vera之間的物種分化大約發生在25.2Mya,并且漆樹在47.3 Mya經歷了一次全基因組復制事件。其中與漆酚生物合成相關的基因家族發生顯著擴張,可能對于漆樹的生態適應性和生物適應性有重要作用(圖2)。

          重磅!李思鋒團隊聯合多家單位破譯漆樹基因組 揭示木質素和漆酚合成相關的代謝通路

           

          圖2 漆樹比較基因組分析。a,15種近緣植物的基因家族擴張和收縮。分支上的綠色和紅色數字代表每個物種的擴張和收縮基因家族。b,漆樹的 WGD 分析。c,代表了漆樹科其他物種的 T.vernicifluum 旁系同源物和直系同源物的同線塊的 4dTv 分布。

           

          同時團隊進一步聯合基因組、轉錄組和代謝組數據,分析漆樹中漆酚和木質素合成代謝過程中相關關鍵酶基因的變化規律,繪制了漆樹漆酚及木質素合成通路代謝圖(圖3)。并結合基因結構鑒定與轉錄組分析,在漆樹中鑒定了33條聚酮合酶基因,該酶是漆酚合成途徑上的關鍵酶基因。此外,運用代謝組學技術揭示了不同漆樹品種“大紅袍“、”高八尺“、”貴州紅毛“、”貴州黃毛“以及野生型漆樹含有的化合物圖譜,為漆樹的綜合開發提供了有力數據。并且發現不同品種在特有天然產物方面存在差異,漆黃素、黃顏木素等黃酮類化合物可以作為漆樹品種鑒定的代謝物標記。

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          圖3 漆樹中漆酚合成(a)及木質素(b)合成代謝通路

           

          綜上,本研究首次公布了漆樹高質量基因組數據,為漆樹分子育種及天然產物開發提供了基因組基礎,也為漆樹科比較基因組學、進化生物學等研究提供了支撐。

           

          以上研究由陜西省西安植物園(陜西省植物研究所)李思鋒課題組聯合華大基因、西安交通大學、國投生物科技投資有限公司等多家單位協作完成。陜西省西安植物園(陜西省植物研究所)柏國清副研究員、陳塵副研究員、華大基因趙辰曦博士、西安交通大學周濤副教授、國投生物科技投資有限公司李丹博士為共同第一作者;陜西省西安植物園(陜西省植物研究所)李思鋒教授為本文通訊作者。陜西理工大學周天華副教授參與了本研究。研究的開展得到國家自然科學基金、陜西省重點研發計劃項目、第四次全國中藥資源普查陜西省項目的共同資助。

           

          參考文獻:

          Afzal, M., Al-Abbasi, F.A., et al. (2021). Fustin Inhibits Oxidative Free Radicals and Inflammatory Cytokines in Cerebral Cortex and Hippocampus and Protects Cognitive Impairment in Streptozotocin-Induced Diabetic Rats. ACS Chem. Neurosci. 12, 4587-4597.

          Sawada, Y., Sato, M., Okamoto, M., et al. (2019). Metabolome-based discrimination of chrysanthemum cultivars for the efficient generation of flower color variations in mutation breeding. Metabolomics 15, 118.

          Weisberg, A.J. (2014). Investigations into the molecular evolution of plant terpene, alkaloid, and urushiol biosynthetic enzymes (Blacksburg, Virginia: Virginia Polytechnic Institute and State University).

          Wang, L., He, N., Li, Y., et al. (2020a). Complete chloroplast genome sequence of Chinese lacquer tree (Toxicodendron vernicifluum, Anacardiaceae) and its phylogenetic significance. Biomed. Res. Int. 2020, 9014873.

          Yang, J., Zhu, J., Shen, F., et al. (2018). Promotion by copper (II)-modified montmorillonite of the drying property of oriental lacquer sap. Prog. Org. Coat. 118, 72-81.

           


          作者:王 一

          來源|BAP BioArt植物

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