地黄环烯醚萜苷生物合成关键酶RcCYP72H7的基因组学鉴定与功能解析

本研究通过构建地黄(Rehmannia chingii)首个端粒到端粒(T2T)基因组，揭示了其环烯醚萜苷生物合成通路的关键分子机制。研究人员鉴定出位于8号染色体的细胞色素P450基因簇，并证实RcCYP72H7具有催化梓醇(catalpol)合成的环氧化功能，为药用植物活性成分的生物合成与遗传改良提供了重要资源。

　　

研究背景与科学问题
环烯醚萜苷(iridoid glycosides)作为地黄属植物的标志性活性成分，其代表性化合物梓醇(catalpol)具有神经保护、抗炎等多种药理活性。然而，该物种基因组信息的缺失严重制约了其生物合成通路的解析。传统研究认为梓醇通过梓苷(aucubin)环氧化生成，但关键环氧化酶的分子身份长期未知。此外，地黄属植物复杂的多倍体背景和高度杂合基因组特征，使得高质量基因组组装成为领域内的重要挑战。

研究设计与创新发现
河南农业大学联合中国中医科学院的研究团队选取二倍体模式地黄(R. chingii)为研究对象，采用PacBio HiFi、Oxford Nanopore和Hi-C等多组学技术，成功构建了1.169 Gb的T2T基因组。通过整合比较基因组学、转录组学和代谢组学分析，发现环烯醚萜苷合成相关结构基因在叶片中特异性高表达。研究重点聚焦于8号染色体上的CYP450基因簇，通过酵母异源表达和本氏烟草瞬时转化体系，首次鉴定出RcCYP72H7具有催化梓苷C7-C8位环氧化的生物学功能，瞬时过表达可使梓醇含量提升55.07%。

关键技术方法
研究采用四代测序技术(PacBio HiFi/ONT)结合Hi-C染色体构象捕获完成T2T基因组组装；通过K-mer分析估算基因组大小(1.139Gb)和杂合率(1.93%)；利用BUSCO(99.1%)和LAI(22.22)评估组装质量；基于RNA-seq筛选组织特异性表达基因；采用GC-MS和LC-MS/MS分析代谢产物；通过农杆菌介导的瞬时转化进行基因功能验证。

主要研究结果

1. 地黄T2T基因组特征
基因组分析显示77.21%为重复序列，LTR占比达49.14%。共预测29,322个基因，平均内含子长度显著长于其他植物。比较基因组学证实地黄属于列当科(Orobanchaceae)，与同属四倍体物种R. glutinosa的分化时间约10.08 MYA，后者经历了一次额外的全基因组复制(WGD)事件。

2. 环烯醚萜苷合成的组织特异性
代谢分析发现梓醇在嫩枝含量最高(较根木质部高6倍)，转录组显示MEP途径基因(Rch09d0354等)与环烯醚萜途径基因(GES、10HGO等)在无脉叶片中协同高表达，而MVA途径基因表达模式迥异，证实环烯醚萜苷合成主要依赖质体MEP途径。

3. CYP450基因簇的功能解析
系统发育分析将320个P450基因分为3组，其中CYP72A亚家族成员在叶片高表达。酵母表达证实RcG10H(CYP76B6)具有10-羟基化酶活性。基因簇成员RcCYP72E13/E14与已知梓苷合成酶(VaAS/CaAS)同源，而RcCYP72H7被证实特异性催化梓苷→梓醇的环氧化反应，亚细胞定位显示其定位于内质网。

4. 比较基因组学证据
共线性分析揭示RcCYP72H7与芝麻(LOC105171621)存在直系同源关系，而基因簇其他成员可能通过近期串联复制形成。不同于已报道的CYP71家族环氧化酶(作用于生物碱C2-C3/C6-C7位)，该发现拓展了P450酶的功能多样性。

研究意义与展望
该研究不仅提供了首个高质量的地黄基因组资源，更揭示了植物环烯醚萜苷生物合成的关键分子开关。RcCYP72H7的发现为通过合成生物学手段提高梓醇产量提供了精准靶点，对推动药用植物活性成分的定向育种具有重要意义。研究建立的二倍体地黄基因组体系，为解析同属四倍体物种R. glutinosa的基因组进化与代谢网络提供了重要参照。未来研究可进一步探索CYP72基因簇各成员的协同作用机制，以及环烯醚萜苷在植物环境适应中的生态功能。