四倍体石蚕基因组揭示近期全基因组复制事件及二萜代谢超大生物合成基因簇

为解决药用植物二萜代谢多样性形成机制问题，美国密歇根州立大学团队完成四倍体石蚕（Teucrium chamaedrys）3 Gbp高质量基因组组装，发现其含74个二萜合酶基因（diTPSs）及500 Kbp超大生物合成基因簇（BGC），并首次鉴定出4个异柯拉瓦烯二磷酸合酶（iso-KDP）功能。该研究为植物多倍化驱动代谢进化提供新范式，发表于《Plant Communications》。

　　

在植物王国中，薄荷科（Lamiaceae）堪称"化学武器库"的持有者，其成员能合成近7500种独特天然产物。作为该家族的重要代表，石蚕属（Teucrium）植物以富含具有抗炎、抗肿瘤活性的克罗烷型二萜（clerodane）著称，其中墙石蚕（T. chamaedrys）更因在古希腊哮喘治疗中的悠久应用史而备受关注。然而，这个拥有300多个物种的属却长期面临基因组资源匮乏的困境，特别是其代谢多样性形成的遗传机制始终成谜。

为破解这一难题，密歇根州立大学Bjorn Hamberger团队联合佐治亚大学等机构，采用纳米孔长读长（265 Gbp）结合Illumina短读长（95 Gbp）测序技术，成功组装了3 Gbp的四倍体墙石蚕基因组。通过k-mer分析（31-mer）和染色体计数（2n=62）证实其近期经历全基因组复制（WGD），BUSCO评估显示97.8%的保守基因呈重复状态。研究人员进一步运用比较基因组学、系统发育分析和农杆菌介导的烟草瞬时表达体系，揭示了二萜代谢进化的独特轨迹。

T. chamaedrys基因组揭示四倍体证据
基因组Scope估算显示1.7 Gbp基因组大小与0.14%杂合度，Smudgeplot分析检测到4n覆盖度的"AAAB"信号，OrthoFinder比对拟南芥呈现4:1的基因复制比例。这些证据与细胞遗传学观察共同支持其四倍体特性，为研究多倍化初期基因组演化提供珍贵样本。

系统发育证据显示石蚕属二萜合酶的集群化扩张
在墙石蚕中鉴定出74个diTPS基因，其中53个集中分布于4个同源区域，与近缘种T. marum的11个diTPS基因簇呈现1:4的复制关系。这个含15个CYP71家族细胞色素P450的500 Kbp区域，是目前已知最大的植物生物合成基因簇之一，其结构在薄荷科保守的miltiradiene（弥罗松烯）BGC中也有体现。

生化分析揭示墙石蚕克罗烷代谢基础
通过功能表征发现TchaTPS1-3及TcanTPS1均催化生成异柯拉瓦烯二磷酸（iso-KDP），而非常见的(-)-KDP。质谱分析（GC-MS，m/z 191）显示这些酶与弥罗松烯合酶（SsSS）共表达时特异性产生iso-kolavelool（保留时间11.5分钟）。这一发现解释了墙石蚕中4,18位双键克罗烷衍生物（如teucrin）的生成机制。

该研究首次绘制了石蚕属高质量基因组图谱，揭示WGD驱动代谢基因扩张的进化模式。发现的超大BGC为合成生物学提供了模块化改造蓝本，而iso-KDP合酶的鉴定则填补了克罗烷代谢通路的空白。更深远的意义在于，四倍体墙石蚕作为"进化快照"，为研究多倍化初期基因组稳定性与代谢创新关系提供了理想模型。论文中建立的纳米孔组装策略（Flye v2.9）和基因功能验证体系，也为其他非模式植物研究提供了技术范式。

这些发现不仅推动了对植物"化学军备竞赛"演化机制的理解，更为开发新型抗肿瘤二萜药物（如chamaedrosides）奠定了分子基础。正如作者所言，这项研究"打开了利用合成生物学手段生产药用克罗烷二萜的大门"——或许在不久的将来，源自希腊古方的石蚕提取物，将通过现代生物技术焕发新生。