高良姜染色体级别基因组破译揭示其三倍体特性与黄酮类成分合成调控新机制

《Molecular Horticulture》：A chromosome-level genome assembly of Alpinia officinarum Hance sheds new light on its evolution and flavonoid biosynthesis

本研究针对药用食用植物高良姜(Alpinia officinarum Hance)黄酮类活性成分合成机制不清的问题，通过PacBio HiFi测序结合Hi-C技术首次完成其染色体级别基因组组装(2.10 Gb/24条染色体)，揭示该物种为三倍体(2n=3x=72)。整合多组学分析发现根茎中特异性富集107种黄酮化合物，鉴定出关键转录因子AobHLH94可通过直接激活AoC4H和AoCHI启动子(E-box元件)及间接调控AoCHS表达促进黄酮合成。该研究为高良姜分子育种提供重要基因组资源，发表于《Molecular Horticulture》。

　　

在传统中医药和食品调味领域，高良姜(Alpinia officinarum Hance)作为姜科山姜属的重要物种，其根茎因富含黄酮类活性成分而备受关注。然而，野生资源稀缺和分子育种体系缺失制约了其产业化发展。更关键的是，黄酮成分在根茎中特异性积累的分子调控机制始终成谜，这直接阻碍了品质改良和高效生产。

为破解这一难题，广东药科大学杨权团队在《Molecular Horticulture》发表了首篇高良姜染色体级别基因组研究。研究人员采用PacBio HiFi长读长测序(79.06 Gb)与Hi-C染色体构象捕获技术(280.76 Gb)相结合的策略，成功构建了2.10 Gb的基因组草图，其中2.09 Gb序列成功锚定至24条染色体。令人惊讶的是，结合K-mer分析和核型鉴定，首次证实高良姜为三倍体物种(2n=3x=72)，这一发现为理解其无性繁殖优势提供了新视角。

技术方法上，研究团队采用四大关键技术：一是通过流式细胞术和K-mer分析预估基因组特征；二是利用Hifiasm软件进行初始组装后结合Hi-C信号去杂优化；三是应用MAKER整合同源预测和转录组证据进行基因注释；四是结合非靶向代谢组学(MTBLS12486)和广靶代谢组学(MTBLS12509)分析六种组织的代谢物差异。样本来自广东湛江徐闻县栽培群体，每组设3-6个生物学重复。

基因组进化分析揭示独特三倍体特征

比较基因组学显示高良姜与生姜(Zingiber officinale)约在1610万年前分化，并经历了一次独立的全基因组复制(WGD)事件。基因组中重复序列占比高达86.52%，其中长末端重复反转录转座子(LTR)占76.20%。Ks分布峰值在0.31处，4DTv分布峰值在0.12处，这与姜科植物共有的WGD事件相符。

代谢组学揭示根茎特异性积累模式

通过广靶代谢组学鉴定出535种黄酮化合物，其中107种在根茎中显著富集，包括7种查尔酮、13种二氢黄酮醇、31种黄酮醇等。与花、果、叶、茎、根相比，根茎中差异代谢物主要富集于黄酮/异黄酮生物合成通路(KEGG富集分析)。

共表达网络锁定关键调控因子

加权基因共表达网络分析(WGCNA)将1814个基因划分至MEpurple模块，该模块与根茎及9种关键黄酮含量高度相关。从中筛选出6个核心转录因子，其中AobHLH94通过瞬时过验证实能显著提升总黄酮、高良姜素和山奈素含量，沉默该基因则出现相反效果。

分子机制解析揭示直接调控靶点

双荧光素酶报告基因检测、酵母单杂交(Y1H)和电泳迁移率变动分析(EMSA)证实AobHLH94可直接结合AoC4H启动子的E-box4元件和AoCHI启动子的E-box2元件(-CANNTG-基序)，间接调控AoCHS表达。转基因水稻中过表达AobHLH94可显著提升黄酮含量。

这项研究不仅提供了首个山姜属染色体级别基因组参考，更开创性地解析了药用植物根茎特异性代谢物积累的调控网络。高良姜三倍体基因组的发现为理解无性繁殖物种的基因组进化提供了新模型，而AobHLH94调控模块的阐明则为通过转录因子工程定向提升药用成分含量提供了精准靶点。该成果对推动药食同源植物的分子育种具有里程碑意义，也为姜科植物适应性进化研究提供了重要理论支撑。