《Communications Biology》：A chromosome-level genome assembly and multi-omics analyses provide insights into the biosynthesis of piperlongumine in Piper sarmentosum
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本研究针对药用植物假蒟(Piper sarmentosum)中抗癌活性成分胡椒碱(piperlongumine, PL)生物合成机制不清的问题，通过PacBio HiFi和Hi-C技术完成染色体水平基因组组装(contig N50=15.36 Mb)，结合多组学分析发现PsHCT1和PsCCoAOMT1是PL合成的关键酶，同时揭示三次WGD事件推动基因家族扩张。该研究为解析胡椒属植物次生代谢进化及药用成分生物合成提供了重要理论基础。
在热带雨林的荫蔽处，一种名为假蒟(Piper sarmentosum)的爬藤植物正悄然生长。这种看似普通的植物在东南亚传统医学中已有数百年应用历史，其全草可入药，具有祛风散寒、活血消肿的功效。现代研究发现，假蒟中含有一种名为胡椒碱(piperlongumine, PL)的特殊化合物，它能够选择性诱导肿瘤细胞凋亡而不伤害正常细胞，在乳腺癌、结肠癌、前列腺癌和肺癌等多种癌症模型中显示出显著疗效。然而，这种珍贵化合物的天然含量极低——在假蒟果实中仅占1.7 mg/g，且其生物合成途径中的关键酶和调控机制一直是个未解之谜。
传统化学合成PL的方法步骤繁琐、条件苛刻，而生物合成因其高选择性和温和反应条件成为更有前景的替代方案。但要实现这一目标，首先需要破解PL在植物体内的合成密码。更令人困扰的是，胡椒科植物中仅有黑胡椒(Piper nigrum)完成了染色体水平基因组测序，而与假蒟亲缘关系最近的荜茇(Piper longum)基因组仍处于高度碎片化的contig水平，严重限制了基因功能研究。
面对这些挑战，研究团队决定采用最先进的测序技术，对假蒟基因组进行深度解析。他们结合PacBio HiFi长读长测序和Hi-C染色体构象捕获技术，成功获得了高质量染色体水平基因组组装。通过整合转录组学和代谢组学数据，研究人员不仅揭示了假蒟基因组的进化历史，更意外地发现了PL生物合成途径中的关键参与者。
研究团队采用多项关键技术方法：从广东汕尾香料种植园采集假蒟样本，利用PacBio Revio平台进行HiFi测序，结合Hi-C技术进行染色体水平组装，通过BUSCO和LAI指数评估基因组质量；采用非靶向代谢组学分析不同组织代谢物分布，运用WGCNA构建基因共表达网络；通过分子对接预测酶与底物的相互作用，利用系统发育分析鉴定基因家族进化。
基因组特征与进化分析
研究人员首先通过k-mer分析估计假蒟基因组大小约为526.56 Mb，杂合度为0.81%。最终组装获得的基因组大小为548.44 Mb，包含674个contigs，contig N50达到15.36 Mb。通过Hi-C技术将97.79%的序列锚定到26条染色体上，scaffold N50提升至22.52 Mb。BUSCO评估显示基因组完整性高达97.4%，显著高于已报道的黑胡椒(96.1%)和荜茇(96.0%)。基因组注释发现57.88%的序列为重复序列，其中LTR反转座子占31.82%。比较基因组学分析揭示了假蒟经历了三次全基因组复制(whole-genome duplication, WGD)事件：古老的γ三倍化事件(Ks≈1.53)、木兰类植物共享的复制事件(Ks≈0.88)以及近期三倍化事件(Ks≈0.15)。
代谢物谱分析揭示组织特异性分布
非靶向代谢组学鉴定出4,456种代谢物，包括1,290种氨基酸及其衍生物、535种酚类化合物、238种生物碱等。WGCNA分析确定了15个特异性代谢模块，其中棕色和青绿色模块显著富集于"多种生物碱的生物合成"通路。值得注意的是，胡椒碱、胡椒酮、几内亚素等哌啶类生物碱在根、花和果实组织中含量最高，这种组织特异性分布可能反映了这些生物碱在植物防御机制中的特殊作用。
PL生物合成关键基因鉴定
通过WGCNA分析，研究人员发现与PL含量显著相关的"深绿色"模块包含621个基因，这些基因在花和果实中表达量最高。在该模块中，PsHCT1(Shikimate hydroxycinnamoyl transferase)成为连接度最高的枢纽基因。分子对接结果显示，PsHCT1与底物芥子酰-CoA(Sinapoyl-CoA)和5,6-二氢吡啶-2(1H)-酮具有强结合亲和力(-6.2 kcal/mol)。同时，研究人员鉴定出96个OMT基因，其中PsCCoAOMT1在PL生物合成最后一步的甲基化反应中表现出最高表达水平和强结合亲和力(-8.0 kcal/mol)。
基因家族比较与功能分析
比较基因组学发现假蒟中含有126个BAHD酰基转移酶基因，而黑胡椒中有155个。特别值得注意的是，假蒟中仅存在 Piperamide synthases而缺乏 Piperine synthases，这解释了为什么假蒟中胡椒碱含量(7.9±0.1 mg/g)远低于黑胡椒(29.57-54.23 mg/g)。功能富集分析显示，扩张的基因家族显著参与生物碱代谢过程、茉莉酸代谢过程以及伤口响应等生物过程。
研究结论与意义
这项研究成功绘制了假蒟染色体水平基因组图谱，为胡椒科植物进化研究提供了高质量参考基因组。通过整合多组学数据，不仅揭示了三次WGD事件对基因家族扩张的影响，还鉴定出PsHCT1和PsCCoAOMT1作为PL生物合成途径中的关键酶。这些发现为理解胡椒属植物次生代谢进化提供了新视角，为通过合成生物学手段提高PL产量奠定了理论基础。同时，研究揭示的基因家族差异为解释不同胡椒物种中生物碱含量差异提供了分子证据，对药用植物资源开发和利用具有重要指导意义。
该研究的创新之处在于首次系统解析了假蒟基因组特征，并将基因组进化事件与次生代谢产物合成联系起来。发现的PL生物合成关键基因为未来通过基因工程或代谢工程手段提高PL产量提供了重要靶点。随着对植物天然产物生物合成途径的深入理解，假蒟这种传统药用植物有望成为开发生物技术法制备抗癌药物的新模式植物。
