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槟榔作为传统中药，其药用成分的生物合成机制不明。研究人员开展了槟榔单倍型解析基因组的研究。结果构建出高质量基因组，明确了槟榔碱合成途径等。这为热带药用资源利用和功能基因组研究奠定基础。
在植物的奇妙世界里，槟榔可是一位 “明星选手”。它属于棕榈科，不仅在热带地区广泛分布，而且有着悠久的应用历史。人们嚼食槟榔的习惯由来已久，同时它也是传统中药的重要一员，其果实中富含多种活性成分，像吡啶生物碱（包括槟榔碱、槟榔次碱、去甲槟榔碱和去甲槟榔次碱等）、黄酮类化合物等，这些成分具有诸多药用价值，比如槟榔碱可用于治疗青光眼、绦虫感染和关节炎症，还对神经系统和心血管系统有益。
然而，槟榔药用成分的生物合成机制却如同神秘的宝藏，一直未被完全挖掘。此前报道的槟榔基因组存在差异大、可能遗漏重要等位基因变异等问题，而且关于基因 - 代谢物相互作用网络的信息也十分有限。为了揭开这些谜团，海南大学和华中农业大学的研究人员踏上了探索之旅，他们的研究成果发表在《Molecular Horticulture》上。
研究人员主要运用了 PacBio HiFi 和 Hi - C 测序技术进行基因组组装；通过多种生物信息学工具进行基因预测、注释以及进化分析；利用代谢组学和转录组学数据分析基因与代谢物的关系；并采用体外实验验证候选基因的功能。
单倍型解析基因组组装和注释
研究人员对槟榔进行 PacBio HiFi 和 Hi - C 测序，获得了高质量的两个单倍型基因组（Ac.Hap1 和 Ac.Hap2），其染色体水平基因组大小分别为 2.45 Gb 和 2.49 Gb。通过一系列评估指标，如共识质量值（QV）、LTR 组装指数（LAI）、RNA - seq 比对率和 BUSCO 分析等，表明组装的基因组质量高。同时，对基因组进行注释，确定了基因数量、重复序列比例等特征，还发现了染色体上的端粒和着丝粒区域。
单倍型变异和等位基因不平衡
研究人员利用 Synteny 和 Rearrangement Identifier（SyRI）工具，发现 Ac.Hap1 和 Ac.Hap2 之间存在大量的单核苷酸多态性（SNPs）、小插入或缺失（indels）和结构变异，包括三个大的染色体倒位。通过 MCscanX 分析，找到了许多等位基因对，部分等位基因对存在显著的等位基因特异性表达，这有助于理解结构变异导致的等位基因不平衡。
棕榈科植物的系统发育分析和古代单子叶核型构建
研究人员收集了多个物种的蛋白质序列进行系统发育分析，确定了槟榔在单子叶植物和棕榈科中的进化位置。分析发现槟榔与其他棕榈植物共享两次全基因组复制（WGD）事件，并推断出古代单子叶核型（AMK），推测了槟榔染色体的进化过程。
槟榔基因组扩张与反转录转座子的关系
研究人员比较了不同棕榈植物的基因组，发现槟榔基因组中重复序列比例高，尤其是长末端重复反转录转座子（LTR - RTs）。LTR - RTs 的插入在过去 250 万年中发生，且 Gypsy 元件的比例较高，其插入是槟榔基因组扩张的主要原因。
与槟榔药用成分生物合成相关的基因 - 代谢物网络
研究人员通过代谢组学和转录组学数据分析，筛选出差异积累代谢物（DAMs）和差异表达基因（DEGs）。构建的基因 - 代谢物相关网络显示，两个串联的 N - 甲基转移酶（MTs）与槟榔次碱和葫芦巴碱呈负相关，可能参与槟榔碱的生物合成；还发现了与黄酮类化合物相关的多个尿苷二磷酸糖基转移酶（UGTs）。
槟榔碱的生物合成途径和黄酮类化合物糖基化的多样性
研究人员通过体外实验，以古瓦碱、古瓦可林和槟榔次碱为底物，证实了 AcGNMT1、AcGNMT2 等五个 AcGNMTs 参与槟榔碱的生物合成。同时，验证了一个鼠李糖基转移酶（AcUGT78AP14）和四个葡萄糖基转移酶（AcUGT71CE15、AcUGT74CJ38、AcUGT87EE5 和 AcUGT83S982）在黄酮类化合物糖基化中的作用。
研究人员成功组装了槟榔的单倍型解析基因组，揭示了单倍型变异、染色体进化、基因组扩张的机制，构建了槟榔碱的生物合成途径，鉴定了参与黄酮类化合物糖基化的酶。这些成果为理解槟榔生物活性化合物的形成提供了依据，为槟榔的药用开发和热带药用资源的利用奠定了坚实基础，也为后续的功能基因组研究开辟了新的道路 。
