蒙古黄芪全基因组图谱解析：为谷胱甘肽与类黄酮生物合成提供新思路

《BMC Genomics》：The whole-genome map of Astragalus mongholicus provides ideas for the synthesis of glutathione and flavonoid

本研究针对药用植物蒙古黄芪（Astragalus mongholicus）基因组信息匮乏的问题，通过牛津纳米孔技术完成了染色体级别的高质量基因组图谱（1.60 Gb）。研究揭示了蒙古黄芪与蝶形花科植物共同经历的全基因组复制（WGD）事件，鉴定出33个谷胱甘肽S-转移酶（GST）基因和23个类黄酮合成关键酶基因（包括UDP-葡萄糖基转移酶、FGGT1等），为解析其药用成分合成机制提供了基因组学基础，对黄芪分子育种具有重要意义。

　　

黄芪，这株在中国传承两千多年的药用植物，素有“补气之王”的美誉。其干燥根茎作为传统中药“黄芪”的正品来源，在《神农本草经》中早有记载，现代医学研究更证实其富含皂苷、类黄酮和多糖等活性成分，具有免疫调节、抗氧化、抗炎等多种药理作用。然而，尽管蒙古黄芪（Astragalus mongholicus）在品质和临床疗效上优于其他产区同类植物，其基因组信息的缺乏严重制约了对其药用成分合成机制及遗传育种的研究。

为了揭开蒙古黄芪的遗传密码，由姚妙卓、龚凡淑等研究人员组成的团队在《BMC Genomics》上发表了最新研究成果。他们成功绘制了染色体级别的高质量蒙古黄芪基因组图谱，并深入探讨了其在豆科植物中的系统发育地位，重点挖掘了与关键药用成分——谷胱甘肽（Glutathione, GSH）和类黄酮（Flavonoid）生物合成相关的基因资源。

研究人员主要采用了牛津纳米孔（Oxford Nanopore Technologies, ONT）长读长测序技术结合Illumina短读长测序数据进行混合组装，并利用Hi-C技术将基因组序列锚定到染色体上。通过K-mer分析预估基因组大小，并利用同源预测、从头预测和转录组证据整合的方法进行基因结构注释。系统发育分析通过筛选单拷贝同源基因构建最大似然树，并利用MCMCtree估算物种分化时间。全基因组复制（WGD）事件通过同义替换（Ks）分布分析和基因组共线性分析进行鉴定。基因家族扩张/收缩分析使用CAFE软件，正选择分析使用PAML软件中的CodeML程序。与谷胱甘肽和类黄酮合成相关的关键基因家族通过基因家族聚类（OrthoFinder）和系统发育树构建（MEGA）进行鉴定。

基因组测序与组装

研究人员通过K-mer分析估计蒙古黄芪基因组大小约为1.51 Gb，重复序列比例高达71.60%，杂合度为0.91%。最终组装获得的基因组大小为1.60 Gb，contig N50达到20.73 Mb，并通过Hi-C技术将92.73%的序列成功锚定到8条染色体上。与已发表的黄芪基因组数据相比，本研究组装的基因组在连续性和完整性方面均表现出更高品质。

基因组注释

重复序列注释显示，长末端重复序列（LTR）是蒙古黄芪基因组中最主要的重复元件，占基因组的45.50%，其中Gypsy（36.24%）和Copia（8.03%）为优势LTR亚型。共预测出41,520个蛋白质编码基因，平均基因长度为6,197.96 bp。此外，还注释了172个microRNA、1,562个tRNA和1,328个rRNA。

系统发育分析

为了明确蒙古黄芪在豆科植物中的进化地位，研究团队选取了13种已测序的豆科植物以及外群葡萄（Vitis vinifera）进行系统发育分析。基于471个严格单拷贝同源蛋白构建的系统发育树显示，蒙古黄芪与鹰嘴豆（Cicer arietinum）和蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）亲缘关系较近，它们最近的共同祖先大约在3480万年前（Mya）与其他豆科植物分化。

WGD分析

通过分析蒙古黄芪基因组内重复基因的同义替换（Ks）分布，发现了一个显著的峰值位于Ks=0.58处，这与鹰嘴豆（Ks≈0.74）和蒺藜苜蓿（Ks≈0.64）中检测到的古老WGD事件峰值相近。基因组共线性分析也支持蒙古黄芪与蒺藜苜蓿、鹰嘴豆之间存在2:2的共线性关系。这些证据共同表明，蒙古黄芪与这些近缘物种共同经历了蝶形花科分化过程中发生的一次古老WGD事件。

基因家族与正选择分析

基因家族聚类分析发现，蒙古黄芪有3,567个特有基因家族。与鹰嘴豆、蒺藜苜蓿和大豆（Glycine max）共享的13,920个基因，其功能显著富集于类黄酮生物合成、二萜生物合成、玉米素生物合成和昼夜节律等通路。正选择分析鉴定出78个蒙古黄芪基因受到显著正选择，这些基因功能与胚胎发育、DNA修复、线粒体和叶绿体组织等相关。

谷胱甘肽（GSH）合成相关基因分析

研究重点关注了与植物抗逆密切相关的谷胱甘肽代谢途径。通过基因家族扩张分析，鉴定出42个与GSH合成相关的基因。KEGG通路富集显示这些基因主要参与谷胱甘肽S-转移酶（GST）和核糖核苷酸还原酶（RRM1/RRM2）的合成。进一步系统发育分析将这42个基因归类于三个基因家族（OG0000021, OG0000659, OG0001993），其中33个基因（主要来自OG0000021和OG0000659家族）与拟南芥（Arabidopsis thaliana）和蒺藜苜蓿中已知的GST酶蛋白高度同源，提示它们在蒙古黄芪GSH代谢及其相关的抗氧化和解毒功能中发挥关键作用。

类黄酮合成相关基因分析

类黄酮是黄芪最重要的药用活性成分之一。研究分析了类黄酮、黄酮醇和异黄酮生物合成途径。结果发现，在异黄酮代谢途径中，紫檀芪还原酶（PTR）家族基因在蒙古黄芪中显著表达，参与催化(-)-美迪紫檀素（(-)-medicarpin）生成(-)-维斯提醇（(-)-vestitol）的过程。在黄酮和黄酮醇合成中，黄酮醇-3-O-葡萄糖苷/半乳糖苷葡萄糖基转移酶（FG3）显著表达，参与黄芪苷（Astragalin）、三叶豆苷（Trifolin）和异槲皮苷（Isoquercitrin）向其他苷类（如槐酮苷、帕纳苷、白眉苷）的转化。此外，咖啡酰辅酶A O-甲基转移酶（CCoAOMT）在类黄酮合成中也起重要作用。共鉴定出23个来自OG0000636、OG0000113和OG0001404基因家族的基因参与类黄酮合成，其编码的蛋白与UDP-葡萄糖基转移酶家族蛋白、花青素3-O-半乳糖苷2"-O-木糖基转移酶FGGT1、CCoAOMT以及苯基香豆满苄基醚还原酶POP1高度相似，显示了蒙古黄芪类黄酮代谢途径的多样性和复杂性。

本研究成功组装了高质量的蒙古黄芪基因组，为其遗传学和育种研究提供了宝贵的资源。基因组分析不仅明确了蒙古黄芪在豆科植物中的系统发育位置，证实其经历了古老的WGD事件，更重要的是，深入挖掘了与关键药用成分（GSH和类黄酮）生物合成相关的基因资源。WGD事件被认为是驱动基因家族扩张和功能分化的重要力量，本研究发现在蒙古黄芪中扩张的基因家族显著富集于类黄酮合成通路，如FG3和GST等相关基因家族。这提示古老的WGD事件可能通过复制关键代谢基因，进而促进了黄芪类黄酮等次级代谢产物合成途径的复杂化和多样化，这可能是其富含多种活性黄酮类化合物的遗传基础。同时，鉴定出的33个GST基因不仅参与GSH代谢，其还可能通过调控ABC转运蛋白和MATE转运蛋白来影响类黄酮的积累，这为理解黄芪药用成分的协同作用提供了新视角。尽管本研究在基因组层面取得了重要进展，但缺乏基因表达（如RNA-seq）数据来验证FG3、PTR等关键基因的活性是未来的研究方向。总之，该基因组图谱的发布将极大地推动黄芪功能基因组学研究和分子育种实践，为开发高品质黄芪药材奠定坚实的理论基础。