染色体级别基因组揭示药用植物孩儿参（Pseudostellaria heterophylla）花二型性与活性环肽生物合成的遗传基础

《Scientific Data》：Chromosome-level genome assembly of the traditional Chinese medical plant Pseudostellaria heterophylla

本研究为解决传统中药孩儿参（Pseudostellaria heterophylla）缺乏高质量参考基因组的问题，研究人员通过整合PacBio HiFi、Hi-C和转录组测序技术，成功构建了染色体级别的高质量基因组（2.19 Gb，scaffold N50=144.78 Mb）。该组装覆盖99.36%基因组序列，注释出37,158个蛋白编码基因，并揭示重复序列占比高达79.41%。这一资源为解析CH-CL花二型性分化机制及环肽（如heterophyllin B）生物合成途径提供了关键遗传基础，推动该药用植物的分子育种与高效利用。

　　

在传统中医药宝库中，有一种名为孩儿参（Pseudostellaria heterophylla）的珍稀药用植物，其干燥块根被称为“太子参”，具有益气健脾、生津润肺的功效。由于药性温和，常被用作小儿补益药，故得名“孩儿参”。现代药理研究发现，孩儿参含有环肽、多糖、皂苷等多种活性成分，其中环肽类化合物如heterophyllin B（HB）具有抗炎、抗肿瘤、免疫调节等多种药理活性。然而，这些活性成分的生物合成途径及其调控机制至今尚未明确。

更令人惊奇的是，孩儿参在自然界中展现出了独特的繁殖策略——花二型性（chasmogamous-cleistogamous, CH-CL）。在同一植株上，它能同时产生两种形态迥异的花朵：开放花（chasmogamous, CH）和闭锁花（cleistogamous, CL）。开放花具有典型的花瓣、雄蕊和雌蕊结构，依靠昆虫传粉进行异花授粉；而闭锁花则花瓣退化，在花蕾内就完成自花授粉，确保在不良环境下仍能结实。这种巧妙的生殖策略使孩儿参成为研究植物花器官发育与进化的重要模式系统。然而，由于缺乏高质量的参考基因组，制约了对其花二型性分子机制和药用成分生物合成途径的深入探索。

为了解决这一关键问题，中国科学院植物研究所的研究团队在《Scientific Data》上发表了孩儿参染色体级别基因组图谱。研究人员通过PacBio HiFi长读长测序、Hi-C染色体构象捕获技术和转录组测序的整合分析，成功构建了高质量基因组图谱。该基因组大小为2.19 Gb，contig N50达到69.71 Mb，scaffold N50高达144.78 Mb，99.36%的序列被锚定到16条假染色体上。BUSCO评估显示基因组完整性达97.83%，Merqury评估的碱基准确度Q值为53.67，表明组装质量极高。

研究方法概述

研究人员从山东昆嵛山采集野生孩儿参样本，采用改良CTAB法提取DNA。通过流式细胞术和k-mer分析估计基因组大小约为2.08-2.02 Gb。利用PacBio HiFi长读长（68.11 Gb）进行初步组装，再结合Hi-C数据（238.97 Gb）进行染色体挂载，最终获得染色体级别基因组。基因注释采用EDTA流程鉴定重复序列，结合从头预测、同源比对和转录组证据预测蛋白编码基因。

基因组特征分析

重复序列注释显示，孩儿参基因组中重复序列占比高达79.41%，其中长末端重复序列（LTR）最为丰富，占基因组的67.30%，Gypsy类LTR占56.95%，Copia类占4.31%。非LTR反转录转座子占8.55%，包括Mutator（5.18%）、CACTA（1.49%）等类型。这种高比例的重复序列，特别是LTR的扩张，可能是导致孩儿参基因组较大的重要原因。

基因预测共鉴定出37,158个蛋白编码基因，其中87.18%（32,395个）获得了功能注释。通过eggNOG数据库注释发现83.03%的基因具有功能信息，其中14,271个基因获得GO注释，9,598个基因映射到KEGG通路。InterProScan分析显示82.17%的蛋白质含有保守结构域。此外，还预测了22,646个非编码RNA基因，包括7,456个tRNA、9,150个snoRNA和5,409个rRNA等。

技术验证

组装质量通过多种方法验证：短读长比对率达到96.74%，基因组覆盖度达99.90%；k-mer分析显示碱基错误率低至4.29×10^-8；BUSCO评估显示完整性达97.83%。基因模型质量评估显示96.34%的保守基因完整，证明注释可靠性。

研究意义与展望

该基因组图谱的完成为解析孩儿参花二型性分子机制提供了关键资源。通过比较CH和CL花的转录组差异，可以鉴定控制花器官发育的关键基因，揭示植物在不同环境条件下调节繁殖策略的遗传基础。同时，基因组数据将加速环肽生物合成途径的解析，特别是涉及异株女娄菜环肽（heterophyllin B）合成的关键酶基因，如肽环化酶PhPCY3等。这将为通过合成生物学手段提高活性成分含量、实现可持续生产提供理论依据。

此外，孩儿参作为石竹科植物，其基因组也为研究该科植物的进化历史、比较基因组学分析提供了重要参考。基因组中鉴定的共线性区块将有助于理解染色体进化过程，而高密度的分子标记将促进分子育种工作的开展。

这项研究不仅填补了孩儿参基因组资源的空白，更为传统药用植物的现代化研究提供了范例。通过整合现代基因组学技术与传统药用植物研究，将加速中药活性成分的生物合成研究和新品种选育，推动中医药的创新发展。随着后续功能基因组学研究的深入，孩儿参这一传统中药的神秘面纱将被逐步揭开，为人类健康带来更多福祉。