首个商陆科染色体水平基因组：破解植物高镉富集特性分子密码

　　 　

商陆科商陆属（Phytolacca?L.）植物，如商陆（P. acinosa?Roxb.）和非洲商陆（P. dodecandra?L'Herit），具有重要的药用价值。《中华人民共和国药典》（2020年版）记录，商陆药材具有逐水消肿、通利二便、解毒散结的功效。此外，商陆属植物含有丰富的次生代谢物质、抗菌肽和独特的商陆抗病毒蛋白，具有抗细菌、抗真菌、抗病毒、驱虫杀虫等效果，是挖掘绿色农药成分的优良材料。同时，商陆属植物还具有高富集和耐受锰（Mn）、镉（Cd）、铝（Al）和稀土元素的保守特性，在土壤修复、植物采矿等方面具有重要的应用潜力。

然而，由于商陆科植物基因组信息匮乏，分子生物学技术体系不完善，商陆属植物上述生物学特性的遗传基础和分子调控机制一直缺乏系统和深入的研究。目前，仅有垂序商陆（P. americana?L.）基于二代和三代测序技术的两个普通组装基因组版本公开发表，其测序完整性和准确性都无法满足当前对于基因组测序和组装质量的要求。

近期，中国科学院昆明植物研究所的研究人员利用多种技术，成功测序和组装得到二十蕊商陆（P. icosandra?L.；2n = 2x = 36）的染色体水平基因组，并结合转录组学和代谢组学分析，探讨了其耐受和富集Cd的遗传基础和分子机制。

研究显示，二十蕊商陆的基因组大小为1042.86 Mb，GC含量为38.17%，包含25756个蛋白编码基因，组装质量评估的BUSCO值为98.95%，LAI得分为15.45。进化分析揭示，二十蕊商陆商陆经历了一次近期的全基因组复制事件，其特有、显著扩张和正选择基因在锌离子结合、Mn离子结合、烟草胺生物合成过程等与金属（例如Cd和Mn）响应相关的功能类别中显著富集。部分与进化相关的基因在Cd胁迫下显著上调，其中扩张基因PiNAS-l显著提高了Δycf1酵母菌株的Cd耐受性。这表明二十蕊商陆的高Cd积累特性是由进化选择驱动的。整合生理学、转录组学和代谢组学分析表明，包括Cd转运、信号转导、木质素和黄酮类化合物生物合成以及碳水化合物代谢等关键过程，有助于二十蕊商陆根部Cd解毒。这些过程可能由WRKY、ERF、MYB、bHLH、bZIP?等多种转录因子调控。

该研究提供了首个商陆科植物染色体水平基因组，并从进化和分子角度为植物耐受和富集Cd的特性提供了新的见解。研究结果以Integrated genomic,transcriptomic,and metabolomic analyses provide novel insights into high cadmium accumulation in?Phytolacca icosandra?L.为题发表在植物学期刊Plant Physiology and Biochemistry上。李雄副研究员和金涛高级工程师为论文的共同第一作者，许建初研究员为论文的通讯作者，贾艳霞高级工程师、于冬梅副研究员、刘俊成工程师和博士研究生胡娜等多名研究人员参与了该研究。研究工作得到了中国科学院青年创新促进会（2022397和2020387）、云南省高原特色农业科技计划（202302AE090023）和云南省山地农业生态系统国际联合实验室（202303AP140001）的资助。

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图1?二十蕊商陆的形态特征、染色体核型和基因组大小评估

图2?二十蕊商陆的基因组图谱和进化分析

图3?二十蕊商陆根部受Cd胁迫诱导的木质素合成、类黄酮合成和Cd转运过程