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苄基异喹啉生物碱（BIAs）在木兰类植物中的生物合成遗传基础不明。研究人员解码两种木兰类植物基因组，重建其祖先核型等。结果揭示了 BIA 合成的中间成分和遗传基础等。该研究有助于理解木兰类植物基因组演化及 BIA 代谢物的发展。
在植物的奇妙世界里，木兰类植物可是个大家族，它们不仅物种丰富，还能合成各种具有重要生态和药理作用的次生代谢物，其中苄基异喹啉生物碱（BIAs）备受瞩目。BIAs 具有重要的药用价值，像麻醉镇痛药吗啡、止咳药可待因等都属于这类物质。然而，一直以来，BIAs 在木兰类植物中的生物合成遗传基础却如同神秘的面纱，让人难以看清。为了揭开这层面纱，深入了解植物代谢的奥秘，中国科学院植物研究所的研究人员展开了一场意义非凡的探索之旅。
研究人员的研究成果发表在《Nature Communications》上，这一成果意义重大。它不仅为我们理解木兰类植物基因组的演化历程提供了关键线索，还让我们对特殊的 BIA 代谢物的发展和演化有了更深入的认识，仿佛为我们打开了一扇通往植物代谢微观世界的大门，让我们能一窥其中的奥秘。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是基因组测序技术，对 Saruma henryi 和 Aristolochia manshuriensis 两种木兰类植物进行了 PacBio HiFi、Nanopore 超 long reads 和 Hi - C 测序；二是通过多种生物信息学分析方法，如利用 BUSCO 评估基因组完整性，进行系统发育分析和基因家族分类等；三是采用代谢组分析技术，运用广泛靶向液相色谱 - 串联质谱（LC - MS/MS）分析 A. manshuriensis 花和茎的代谢物组成 。
下面让我们来详细看看研究的主要结果：
- S. henryi 和 A. manshuriensis 的染色体水平基因组：研究人员成功获得了高质量的基因组序列。S. henryi 基因组大小约 2.81Gb，组装了 2.77Gb，98.40% 锚定到 12 条假染色体上；A. manshuriensis 基因组大小约 525Mb，组装了 563.0Mb，92.89% 锚定到 16 条假染色体上。同时发现，两种植物基因组中可转座元件（TEs）占比显著，且在基因复制方面可能起到了促进作用。
- 马兜铃科的系统发育：利用新测序的基因组和转录组数据，研究人员明确了 Hydnoroideae 和 Aristolochioideae 是姐妹分支，Lactoridoideae 在包含 Hydnoroideae 和 Aristolochioideae 的分支之前分歧，为马兜铃科的系统发育关系提供了新证据。
- 马兜铃科的 WGD 历史：研究发现 A. manshuriensis 经历了一轮全基因组复制（WGD），S. henryi 经历了两轮 WGD。并且确定了这些 WGD 事件发生的时间，以及相关基因对的富集情况，表明 WGD 在马兜铃科植物基因组演化中起到了重要作用。
- 木兰类植物的祖先核型和古染色体演化：研究人员通过复杂的分析流程，成功重建了木兰类植物的祖先核型（AMK）。推断出 AMK 由 14 条染色体组成，包含 17,705 个原基因，这为理解木兰类植物染色体的演化轨迹提供了重要依据。
- 木兰类植物中富集代谢物生物合成的基因组和代谢研究：分析发现，木兰类植物在进化过程中基因家族发生了变化，与 BIAs 合成相关的基因家族有所扩张。代谢组分析鉴定出 A. manshuriensis 中多种代谢物，重构了 BIAs 及其衍生物的潜在生物合成途径，发现了一些新的中间代谢物。
- A. manshuriensis 中 BIA 生物合成基因的鉴定和实验验证：通过多种分析方法，研究人员鉴定出多个参与 BIA 生物合成的候选基因，并通过在 Nicotiana benthamiana 中的瞬时表达实验对部分基因的功能进行了验证，为深入了解 BIA 生物合成机制提供了重要线索。
- BIAs 生物合成途径的演化：研究发现，BIAs 生物合成基因大多位于保守染色体区域，在被子植物进化过程中，这些基因在早期分化的真双子叶植物和木兰类植物中选择性保留，而在单子叶植物和核心真双子叶植物中丢失，揭示了 BIAs 生物合成途径的复杂演化动态。
综合研究结论和讨论部分，我们可以看到，这项研究取得了丰硕的成果。它不仅填补了木兰类植物基因组演化和 BIA 生物合成研究领域的诸多空白，还为后续研究提供了宝贵的数据和理论基础。通过揭示基因复制、保留和丢失的模式，解释了为什么 BIAs 主要存在于早期分化的真双子叶植物和木兰类植物中。此外，研究还发现木兰类植物的 BIA 生物合成途径可能更为复杂多样，这为进一步挖掘植物代谢潜力、开发新型药物提供了新的思路和方向。 总之，该研究为植物基因组学和代谢生物学领域的发展做出了重要贡献，让我们对植物的奥秘有了更深刻的认识。
