高质量染色体水平基因组组装揭示大叶千斤拔(Flemingia macrophylla)的基因组结构特征及其药用价值分子基础

本研究通过Oxford Nanopore、BGI短读长和Hi-C测序技术，首次完成药用植物大叶千斤拔(Flemingia macrophylla)1.01Gb染色体水平基因组组装(contig N50达59.43Mb)，预测33,077个蛋白编码基因。研究发现该物种与木豆(Cajanus cajan)分化于13.2-20.0 MYA，鉴定到与抗逆性和次生代谢物合成相关的基因家族扩张，为解析其药用活性成分(如异戊烯化黄酮)的生物合成通路提供基因组基础，对药用植物开发和作物改良具有重要意义。

　　

在传统医药和生态系统中具有重要价值的大叶千斤拔(Flemingia macrophylla)，是一种广泛分布于中国和东南亚的豆科灌木。其根部被用于治疗风湿病、促进血液循环和缓解关节疼痛，现代研究更发现其富含具有抗肿瘤活性的异戊烯化黄酮类化合物。然而，由于缺乏高质量参考基因组，制约了对其药用成分生物合成机制和生态适应性的深入研究。

为解决这一瓶颈问题，来自湖南省药品检验研究院等机构的研究团队采用多组学技术，首次完成该物种染色体水平基因组组装，相关成果发表于《BMC Genomics》。研究通过Oxford Nanopore超长读长测序(N50>50kb)、BGI短读长测序和Hi-C技术，构建了1.01Gb的高质量基因组(contig N50达59.43Mb)，注释出33,077个蛋白编码基因。关键实验技术包括：基于k-mer分析的基因组特征评估、NextDenovo组装结合Racon和Pilon校正、Hi-C辅助染色体锚定、整合同源预测与RNA-seq数据的基因注释系统，以及比较基因组学和正选择分析流程。

研究结果显示，大叶千斤拔基因组重复序列占比73.69%，其中LTR反转座子占55.42%。系统发育分析表明其与木豆(Cajanus cajan)亲缘最近，分化时间约13.2-20.0百万年前。基因家族分析发现3,248个特有基因家族，显著富集于精氨酸代谢、泛素介导的蛋白降解等通路，可能与其广域分布的抗逆性相关。Ks分析揭示该物种与木豆、菜豆(Phaseolus vulgaris)共同经历过两次全基因组复制(WGD)事件。

特别值得注意的是，扩张的基因家族(934个)显著富集于倍半萜、三萜和异黄酮生物合成通路，这与其已知的药用活性成分高度吻合。正选择分析鉴定到72个阳性选择基因，涉及吡哆醛磷酸结合和玉米素合成等过程。这些发现从基因组层面揭示了大叶千斤拔药用价值的分子基础。

讨论部分指出，该研究创制了豆科植物中BUSCO完整度(99.3%)领先的基因组资源，其质量优于已发表的木豆和菜豆基因组。特有基因家族和扩张基因家族的发现，不仅解释了该物种对多样化生境的适应能力，更为其主要活性成分——异戊烯化黄酮的合成机制研究提供了靶点。研究者特别强调，次生代谢通路相关基因的扩张模式，与Wang等报道的抗A549肺癌细胞活性物质的存在形成分子层面呼应。

这项研究的意义在于：首次建立药用植物大叶千斤拔的基因组框架，填补了豆科药用植物基因组资源的空白；揭示的WGD事件和基因家族进化规律，为理解豆科植物适应性辐射提供新视角；鉴定的次生代谢相关基因集，将加速抗肿瘤、抗炎等活性成分的生物合成研究。该基因组资源有望推动传统药用植物的现代化开发，并为抗逆作物育种提供候选基因。