金樱子单倍型基因组解析揭示次生代谢合成与喀斯特环境适应的分子机制

本研究通过构建金樱子(Rosa laevigata)高质量单倍型基因组，解析其药用成分合成与极端环境适应的分子机制。研究发现近端复制和串联复制事件驱动了萜类、花青素和谷胱甘肽代谢相关基因家族的扩张，鉴定出249个正选择基因富集于维生素B6代谢和抗坏血酸代谢通路，揭示了MHX、NCL、CBL8等钙调控基因在喀斯特高钙环境适应中的关键作用，为喀斯特植物资源保护和药用开发提供理论支撑。

　　

在喀斯特地区严酷的高钙、干旱和强紫外线环境中，金樱子(Rosa laevigata)展现出非凡的适应能力，其果实富含的抗氧化和抗炎活性成分更使其成为传统中药的重要原料。然而，基因组信息的缺失严重制约了对这种兼具生态价值与药用价值植物的深入研究。贵州教育大学联合研究团队在《Industrial Crops and Products》发表的研究，通过PacBio HiFi和Hi-C技术构建了金樱子单倍型基因组（Hap1: 493Mb，Hap2: 479Mb），结合比较基因组学和群体遗传学分析，揭示了其适应极端环境与药用成分合成的分子机制。

研究采用Hifiasm进行基因组组装，通过BUSCO评估显示98.6%的完整度。利用OrthoFinder进行基因家族分析，CAFE软件检测基因家族扩张收缩，PSMC模型推演种群历史。蛋白质互作网络通过STRING数据库构建，钙结合能力通过Autodock vina计算结合自由能验证。

基因组特征与进化
研究首次获得包含7条伪染色体的单倍型基因组，注释43,480个蛋白编码基因。转座元件占比达56.78%，LTR反转录转座子主导了基因组扩张，其中Gypsy和Copia家族在1.5-1.4百万年前爆发性插入。这些转座子插入显著影响了次生代谢通路基因的表达模式。

环境适应机制
比较基因组学发现，近端复制(PD)和串联复制(TD)事件驱动了萜类合成(TPS)、花青素合成和谷胱甘肽代谢相关基因家族的扩张。TPS基因家族通过串联复制产生67个成员，其中TPS-a亚家族在叶片中高表达，催化产生抵御UV的挥发性萜类。种群历史分析显示，更新世冰期气候波动与金樱子种群扩张事件高度吻合。

药用成分合成
代谢通路分析揭示，抗坏血酸(AsA)合成的替代途径（D-半乳糖醛酸途径）基因受到正选择，而AsA-GSH循环中的AAO、MDHAR等基因显著扩张。类黄酮合成通路中，FLS基因(Rla3A16615)不仅存在正选择信号，其814位点还在三个喀斯特分布物种中呈现趋同进化，这解释了金樱子果实中高达45.14%的类黄酮含量。

钙稳态调控
研究鉴定出4个钙调控正选择基因(MHX、NCL、CBL8、PAO)，蛋白质互作网络显示它们与CAX、CCX等转运体存在直接互作。分子对接证实金樱子CBL8蛋白的Ca²⁺结合自由能(-5.2kcal/mol)显著低于拟南芥同源蛋白(-4.1kcal/mol)，这种增强的钙结合能力可能是适应高钙环境的关键。

这项研究不仅提供了首个蔷薇科喀斯特植物基因组资源，更揭示了环境压力驱动药用成分合成的分子机制。特别值得注意的是，转座子爆发与基因复制事件的时空耦合，塑造了金樱子"环境适应-代谢重塑"的协同进化模式。这些发现为喀斯特生态恢复的物种选择提供了分子标记，也为开发抗逆作物和药用植物育种奠定了理论基础。研究强调，对CBL8钙信号通路和FLS介导的类黄酮合成的深入解析，可能为阿尔茨海默病(Alzheimer's disease)等氧化应激相关疾病的药物开发提供新靶点。