早期分支被子植物五味子基因组揭示被子植物进化与木脂素生物合成的分子机制

研究人员针对早期分支被子植物进化关系不清及五味子科特有木脂素DBCOD生物合成机制不明的问题，通过构建高质量五味子基因组，结合共表达网络与生化实验，解析了DBCOD骨架形成的五步关键酶促反应，发现新型CYP719G1b催化C─C偶联形成特征性八元环结构。该研究为被子植物早期进化提供了基因组证据，并为药用木脂素的合成生物学研究奠定基础。

　　

在被子植物演化历程中，早期分支的ANA类群（包括无油樟目、睡莲目和Austrobaileyales）始终是解开"达尔文讨厌之谜"的关键。其中五味子科植物因能合成独特的二苯并环辛二烯(DBCOD)木脂素而备受关注，这类化合物具有显著的肝保护活性，已有37种被证实可用于药物性肝损伤治疗。然而，DBCOD骨架形成的酶学机制及其在早期被子植物中的进化起源仍是未解之谜。

中国医学科学院药用植物研究所的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表研究，通过PacBio三代测序和Hi-C技术构建了染色体级别的五味子基因组（5.03 Gb），填补了ANA类群基因组空白。研究整合比较基因组学、多组学关联分析和量子化学计算，揭示了被子植物早期进化事件和木脂素生物合成的分子基础。

关键技术包括：1）采用HiFi长读长测序完成高杂合基因组组装；2）基于共表达网络筛选候选基因；3）酵母/大肠杆菌异源表达系统验证酶功能；4）QM/MM计算阐明C─C偶联机制；5）祖先基因重建解析CYP719家族功能分化。

S. chinensis基因组填补ANA类群基因组空白

通过27 k-mer分析估算基因组大小5.05 Gb，Hi-C辅助组装获得14条假染色体（2n=28），BUSCO完整度达96.7%。转座元件占比83.44%，其中LTR反转录转座子占42.32%，Gypsy家族（32.35%）显著多于Copia家族（9.82%）。

Austrobaileyales的系统位置与特异性多倍化事件

基于2291个低拷贝核基因构建系统发育树，确认Austrobaileyales为ANA类群最后分化的支系，与Mesangiospermae构成姐妹群。Ks分析发现五味子特有的全基因组复制事件(Scα)，发生在与Illiciaceae分化后，保留的复制基因富集于苯丙素代谢等通路。

祖先核型重建与染色体进化

通过比较基因组学推断15条祖先被子植物核型(AAK)，发现五味子经历11次端端融合等事件，但染色体变异少于睡莲目物种。替代速率分析显示五味子进化保守性，是研究祖先基因组特征的理想模型。

DBCOD木脂素生物合成通路解析

代谢组显示DBCOD前体pregomisin在茎中富集，而终产物gomisin J在果实积累。研究发现：

1）4个漆酶(SchLAC14-17)催化异丁香酚二聚化生成verrucosin；

2）SchCYP719C7催化dihydroguaiaretic acid的C5/C5'羟基化；

3）SchOMT02介导C4/C4'甲基化形成pregomisin；

4）新型SchCYP719G1b催化C2─C2'偶联形成标志性八元环，QM/MM计算显示对位羟基双自由基特性驱动选择性偶联。

CYP719家族的功能分化

系统发育分析表明CYP719基因为种子植物特有，在Austrobaileyales和magnoliids中显著扩张。祖先序列重建发现Anc26具有双重催化活性，而其后代SchCYP719G1b专一化于C─C偶联功能。

该研究不仅解决了被子植物早期进化争议，首次阐明DBCOD骨架合成的酶学机制，更重要的是发现CYP719G1b催化的新型C─C偶联反应，为植物特殊代谢产物结构改造提供了新工具。通过比较基因组学揭示的Scα多倍化事件，为理解早期被子植物适应性进化提供了新视角。研究成果对药用木脂素的合成生物学生产具有重要指导价值。