项目文章 | 超长测序+NextDenovo助力盾叶薯蓣高质量基因组解析与薯蓣皂苷生物合成进化

自1930年代中期从山萆薢（Dioscorea tokoro）根状茎中分离出薯蓣皂素，特别是1943年以薯蓣皂素为起始原料成功地合成黄体酮以来，由于简便、经济，薯蓣皂素成为不可替代的合成甾体激素类药物的理想原料已近90年。薯蓣属植物中，部分物种具有重要的食用价值，很多薯蓣属植物根状茎/块茎中含薯蓣皂素，最高记录为我国特有种盾叶薯蓣（Dioscorea zingiberensis），其单株根状茎薯蓣皂素最高含量达16.15％。盾叶薯蓣也因此被认为是世界上最理想、最重要的甾体激素药源植物之一。薯蓣皂素在植物体内通常以薯蓣皂苷形式存在。研究薯蓣皂苷的生物合成、起源和进化具有重要意义。然而，由于薯蓣属植物遗传背景复杂，缺少高质量的染色体级别基因组信息，薯蓣皂苷生物合成与演化机制的研究难以深入。

近日，Horticulture Research 上线了（Advance Access）武汉大学李家儒课题组题为The genome of Dioscorea zingiberensis sheds light on the biosynthesis, origin and evolution of the medicinally important diosgenin saponins 的研究论文。

该研究采用三代Oxford Nanopore、Hi-C、10X Genomics技术进行盾叶薯蓣全基因组测序，组装得到一个染色体水平的参考基因组。本次发布的盾叶薯蓣基因组大小为629 Mb，contig N50为1.16 Mb，scaffold N50 为55.78 Mb。共有93.39%的基因组序列被组装到10对染色体上（图1a）。BUSCO和CEGMA分析结果显示基因组完整性分别为96.84%和97.98%，表明基因组组装完整性较高。希望组为本研究提供了测序及Nextdenovo软件服务，并参与了基因组组装、注释及后续分析工作。

研究发现，盾叶薯蓣基因组中存在大量扩张的基因家族（图1b），其中，参与薯蓣皂苷生物合成的基因家族如CYP450、UGT以及OSC等基因家族成员数量显著扩增，这可能是盾叶薯蓣能够大量合成薯蓣皂苷的主要原因之一。进化基因组分析表明盾叶薯蓣基因组经历了两次全基因组加倍事件（图1c）。通过推算基因组加倍事件发生的时间，基因串联重复事件以及薯蓣皂苷合成关键基因家族的复制时间，该研究表明，盾叶薯蓣基因组中全基因组加倍事件以及基因的串联重复产生了大量的基因家族成员扩增，这为盾叶薯蓣中薯蓣皂苷生物合成途径提供了关键的进化资源。

图1 盾叶薯蓣基因组的特征及基因组进化分析

通过盾叶薯蓣中薯蓣皂素时空变化、免疫组织化学定位及转录组分析，发现薯蓣皂素首先在叶片合成，转化为薯蓣皂苷，然后运输到地下根茎中储存（图2）。通过评估薯蓣属物种中薯蓣皂苷的分布和进化模式发现，薯蓣皂苷可能是薯蓣属植物中某种祖先性状被选择性保留。对13 种薯蓣属植物的转录组和代谢物进行比较分析表明，薯蓣皂苷生物合成通路基因的特定表达模式促进了薯蓣属植物薯蓣皂苷生物合成途径的差异性进化。

图2 盾叶薯蓣不同组织中薯蓣皂素的分布及基因表达水平比较

综上所述，该研究聚焦薯蓣属植物，在获得高质量染色体水平的盾叶薯蓣参考基因组的基础上，进一步深入解析了薯蓣皂苷的生物合成、起源与进化，为薯蓣皂苷的工业化生产提供了宝贵基因资源，也为植物特异代谢物的生物合成与进化研究，提供了新的视角和范例。

武汉大学生命科学学院博士生李毅为论文第一作者，武汉大学生命科学学院李家儒教授为该论文通讯作者，美国国家自然历史博物馆文军教授、美国华盛顿州立大学David Gang教授、中国科学院植物研究所漆小泉研究员、韶关学院包英华副教授、中国科学院西双版纳热带植物园陈江华研究员、广西大学陈玲玲教授和华中农业大学杨庆勇教授、希望组公司孙宗毅及王凯参与了该研究。该项目得到了国家自然科学基金项目（30370152、31270345和31470388）的资助。