华南农大破译杀虫植物印楝和苦楝高质量基因组, 并获得柠檬苦素生物合成机制的新认识

以下文章来源于植物生物技术Pbj ，作者PBJ

楝科Meliaceae植物是热带和亚热带地区常见重要树种，木材品质优良，活性物质种类丰富，其次生代谢物柠檬苦素（limonoid）类化合物具有显著的杀虫生物活性，如从印楝（Azadirachta indica）提取的四环三萜类化合物印楝素（azadirachtin）对400多种昆虫具有拒食、生长发育抑制、驱避、胃毒、不育等活性，是当代植物性农药的典型代表。柠檬苦素类化合物主要存在于楝科和芸香科植物，从结构上看，几乎所有芸香科柠檬苦素都属于A/D环开裂型，而具有显著杀虫活性的C环开裂型柠檬苦素主要来源于印楝属和楝属。探讨其生物合成差异的机制，对于挖掘开发楝科植物资源具有重要意义。虽然已有文献报道过楝科植物的基因组，但早前二代测序平台获得的基因组连续性、完整性不够理想，印楝等楝科植物染色体级基因组质量可进一步提升和深入挖掘。

2022年12月，Plant Biotechnology Journal 上线了华南农业大学完成的题为“Meliaceae genomes provide insights into wood development and limonoids biosynthesis” 的研究论文，公布了印楝和苦楝高质量基因组以及其它楝科代表物种的全基因组重新测序结果，研究了楝科植物的系统发育关系，探讨了柠檬苦素生物合成调控等特征的分子机制，为楝科植物种质资源的开发利用提供了重要参考。

本研究利用二代Illumina、三代ONT以及Hi-C技术测序组装获得了两个染色体水平的高质量楝科植物基因组，其中印楝基因组大小约223.66 Mb，包含14条染色体，ContigN50为8.91 Mb，注释到23,087个蛋白编码基因；苦楝（Melia azedarach）基因组大小约237.16 Mb，包含14条染色体，ContigN50为8.07Mb，注释到21983个蛋白质编码基因。

图1 印楝和苦楝基因组特征信息

根据对11种楝科植物叶绿体基因组、单拷贝基因家族和单核苷酸多态性的系统发育分析，认为楝科以分为洋椿亚科（Cedreloideae）和楝亚科（Melioideae）可能更加合理；两个亚科的分化时间约为22.16 Mya（百万年前），而印楝和苦楝的分化时间约为6.45 Mya。楝科与芸香科距离较近，大约在52.52 Mya发生分化，其次是无患子科（约53.51 Mya）和漆树科（约72.06 Mya）。楝科植物虽然没有经历额外的全基因组复制事件，但某些物种经历了片段复制。

图2楝科植物的系统发育关系

纤维素、半纤维素、木质素等物质在木质部次生壁的积累，是决定木材产量和质量的重要因素。通过对相关合成基因和转录调控网络的研究发现，次生壁生物合成基因尤其是许多下游转录因子和纤维素/半纤维素生物合成相关基因在洋椿亚科的香椿中发生显著扩增，扩增程度远高于楝亚科的印楝和苦楝，这个发现为解释楝科植物木材品质差异提供了新的认识。

图3洋椿亚科香椿次生壁生物合成相关基因发生扩增

通过比较萜类合成相关基因发现，甲羟戊酸途径（MVA）和甲基赤藓糖醇磷酸途径（MEP）在物种间差异不明显，但是碳链延伸、环化和修饰酶类的基因数量变异较大，特别是由串联重复（Tandem duplication）和近端重复（Proximal duplication）引起扩张的氧化角鲨烯环化酶（OSC）、萜烯合成酶（TPS）、O-甲基转移酶（OMT）、CYP450等。这些基因簇的存在可能有助于印楝和苦楝中柠檬苦素的生物合成。无患子目特有的OSC分支可能有助于柠檬苦素骨架结构的多样化，而TPS、OMT和CYP中不同分支或亚家族的显著扩张可能与不同物种中柠檬苦素不同类别相对应。

 图4 萜类氧化酶的串联复制有助于印楝和苦楝中柠檬苦素的生物合成

华南农业大学植物性农药研究团队钟国华教授为论文的通讯作者，基因组学和生物信息学研究中心高立志教授为论文的共同通讯作者；基因组学和生物信息学研究中心博士后崔高峰、植物保护学院博士生李运和副研究员易欣为共同第一作者；基因组学和生物信息学研究中心张群洁副研究员和博士生林培繁和卢翠、中国科院学华南植物园王洁雨博士参与了本研究。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.13973

转自：“iPlants”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！