黄花菜为多年生作物，在中国、日本和韩国等亚洲国家广泛种植，由于其宜人的风味，黄花菜花蕾是常食用的蔬菜之一，且一直被视为中国传统文化中的母亲花。中国著名的医学百科全书《本草纲目》中记载黄花菜可用于安神解郁和促进泌乳。但由于黄花菜花蕾期短，且集中在7月采收，初加工产业面临巨大压力，急切基于花期调控培育错季开花的黄花菜新品种。
2021年4月，Horticulture Research在线发表了湖南农业大学曾建国教授团队题为The chromosome-level Hemerocallis citrina Borani genome provides new insights into the rutin biosynthesis and the lack of colchicine的研究论文。研究团队于2019年启动了黄花菜全基因组，破译了黄花菜基因组。
黄花菜基因组图谱的成功绘制预测了20个参与芦丁生物合成的候选基因，并且基于代谢组证明了黄花菜中不含有秋水仙碱及其前体化合物，同时从基因组水平阐明了其不含秋水仙碱的生物学基础。黄花菜基因组的破译为黄花菜的遗传研究和分子育种奠定了基础。
论文背景
2015年，该团队为绿之韵生物工程集团有限公司开发具有辅助降尿酸的产品。从过去的文献报道可知，黄花菜中含有一定量的秋水仙碱，而秋水仙碱是目前治疗痛风最有效的药物，因此，可基于食用黄花菜开发辅助降尿酸的产品。质量控制指标显然是秋水仙碱，但无法从黄花菜中检测到秋水仙碱的存在。
从1978至2021年40多年间，我国共报道了约33起食用新鲜黄花菜导致腹泻的事件，共造成超过860人出现严重腹泻的症状，所有的报道均认为黄花菜中的秋水仙碱为导致腹泻的罪魁祸首。同时，在过去的几十年中，大量的期刊、报纸、硕博士论文报道了黄花菜中存在秋水仙碱，甚至在大学教科书（“十一五”和“十三五”规划教材等）以及中小学的科普书籍中都记载了黄花菜含有秋水仙碱，其为黄花菜中的毒性物质。本研究在团队前期证明黄花菜中没有秋水仙碱的基础上，结合嘉兰植物中已报道合成秋水仙碱的功能基因，进一步从基因组水平阐明了黄花菜中不存在合成秋水仙碱的功能基因。
1. 高通量测序技术破译黄花菜基因组
使用单分子测序（SMRT）和Hi-C技术组装了高质量的黄花菜参考基因组。基因组大小为3.77Gb，带有3,183个重叠群及其N50为2.09Mb，并且基于Hi-C分析，将它们进一步聚类在11条染色体上。同时大部分基因（3.25Gb，即86.20％）被注释为重复序列，基因中注释了54,295个蛋白质编码基因。基因组进化分析表明，黄花菜在大约一千二百万年前发生了全基因组复制事件，这可能是导致大量直系同源基因多拷贝的主要因素。
Fig. 1 H. citrina genome assembly.
2. 黄花菜中芦丁合成相关基因的预测
芦丁是黄花菜中重要成分，同时被认为是黄花菜中主要的抗抑郁化合物之一。芦丁的生物合成前体来源于苯丙氨酸，然后经过苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸-4-羟化酶（C4H）、4-香豆酸辅酶A连接酶（4CL）、查尔酮合成酶（CHS）、查尔酮异构酶（CHI）、黄烷酮-3’-羟化酶（F3’H）、黄烷酮-3’5’-羟化酶（F3’5’H）、黄烷酮-3-羟化酶(F3H)、黄酮醇合成酶（FLS）、葡萄糖/金缕醇转移酶（UGT/GT）等10种酶的合成。
与其他物种相比，黄花菜中4个参与芦丁合成的同源基因家族（CHS，F3’5’H，FLS和UGT/GT）数量显着扩增。通过黄花菜基因组与已知同源基因和Pfam数据库检索，我们预测了10个基因家族中与芦丁生物合成相关的108个基因。HPLC-Q-TOF-MS检测发现芦丁主要累积在花中，而茎、根和叶中芦丁的含量较低。因此，可以认为芦丁生物合成的候选基因主要在花中表达，并结合转录组数据筛选出20个候选基因。
Fig. 3 Prediction of rutin biosynthesis genes in H. citrina.
3. 组学研究再次证实黄花菜中无秋水仙碱
本研究首先采用高效液相色谱/四极杆飞行时间质谱（HPLC-Q-TOF-MS）对秋水仙碱标准品进行离子化（m/z 400.1074，[M+H]⁺），并且在嘉兰、秋水仙球以及黄花菜总离子流图中提取秋水仙碱的精确分子量。通过与标准品的保留时间、精确分子量和特征碎片离子的比对，明确地从嘉兰和秋水仙球植物组织中发现并鉴定了秋水仙碱。然而，在黄花菜中新鲜花蕾、根、茎、叶部位的总离子流图中均未检测到秋水仙碱的精确分子量，表明黄花菜中根本不含有秋水仙碱。
Fig. 4 Detection and identification of colchicine.
几乎完整的秋水仙碱生物合成途径及相应的功能基因已经在嘉兰中报道。在嘉兰、秋水仙球以及黄花菜的总离子流图中提取秋水仙球生物合成途径的15个前体化合物的精确分子量。实验结果表明这15个化合物都能够在秋水仙球和嘉兰植株中被发现与鉴定，而在黄花菜中，只有两个初始的氨基酸被发现与鉴定，而其他前体化合物的精确分子量在黄花菜中均未检测到。
此外，嘉兰中参与秋水仙碱生物合成的8个同源基因在黄花菜基因组中搜索，结果未发现一个同源基因，从基因组水平证实黄花菜中不存在参与合成秋水仙碱及其前体化合物的同源基因。
本项成果由湖南农业大学、绿之韵生物工程集团有限公司及菲沙基因合作完成，并且获得了绿之韵生物工程集团有限公司的大力资助。湖南农业大学卿志星博士、博士生刘京宏、刘秀斌博士和菲沙基因易欣欣博士为论文共同第一作者，湖南农业大学黄鹏教授和曾建国教授为论文的共同通讯作者。
作者简介
曾建国，男，汉族，1965年11月生，湖南农业大学教授，博士生导师，现任兽用中药资源与中兽药创制国家地方联合工程研究中心主任、岳麓山中药材种业创新中心主任、国家农业科研杰出人才、国家中药材产业技术体系岗位科学家、十三五国家重点研发计划首席专家，担任中国中兽药与饲用植物产业创新联盟秘书长、湖南省中药材产业协会会长、全国饲料审评委员、中国兽药典委员。
曾建国教授一直从事中药资源及综合利用研究，为植物提取物和中兽药领域的知名专家。在Science、Nature Plants、Molecular Plant、Horticultural Research等国内外期刊发表 100 多篇学术论文，申请获得 30 多个专利。开发2个国家二类中兽药、获得4个新兽药证书，获湖南省科技进步一等奖2项。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41438-021-00539-6
转自：“园艺研究”微信公众号
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