枇杷为蔷薇科常绿植物，是起源于我国的名果异树，北宋药学家苏颂在《本草图经》中用“木高丈余，肥枝长叶……熟时色如黄杏，…，核大如茅栗，黄褐色。四月采叶，暴干用”来描述枇杷作为药、果两用植物的特性。根据《史记·司马相如传》记载，早在2000多年前的西汉时代，我们的先辈就开始生产甜美多汁的枇杷果实。此外，枇杷叶片长久以来作为传统药物被中国及周边国家民众用于治疗咳嗽、慢性支气管炎、炎症等多种疾病。药理研究表明，枇杷中的一些三萜酸等天然小分子，如熊果酸和科罗索酸，具有抗癌和降血糖等多种生物活性，也是其入药的重要代谢物基础。然而，枇杷何以富含三萜酸等活性小分子的分子进化机制一直不为公众所知。
近日，华南农业大学林顺权研究组联合上海交大刘振华研究组及深圳华大基因、莆田学院等单位合作在《美国科学院院报》（PNAS）上发表题为“Polyploidy underlies co-option and diversification of biosynthetic triterpene pathways in the apple tribe”的研究论文。（地址https://doi.org/10.1073/pnas.2101767118）该论文综合运用基因组、代谢组、转录组与合成生物学等研究手段，系统分析了枇杷中主要三萜酸小分子在苹果亚科全基因组复制前后的合成通路、表达模式以及进化路线。研究表明，苹果族植物大约在13至27 百万年前发生了一次全基因组复制（WGD）事件。与相近物种相比，枇杷基因组在WGD之后保留下了2套完整的乌苏烷型三萜酸合成通路基因。同时，这两套基因在枇杷叶等组织中表现出更紧密的共表达关系。经历全基因组复制、代谢通路的共选择和代谢基因紧密高表达后，枇杷叶相比其他蔷薇科植物获得了更强的熊果酸和科罗索酸等主要三萜酸的富集能力。该研究从基因组水平上为枇杷作为药用植物提供了遗传学与基因组学证据。
枇杷富含三萜酸的分子进化基础
该联合团队首先结合PacBio、Hi-C（华大自主研发DNBSEQ平台） 和 Illumina测序组装了枇杷主栽品种‘解放钟’染色体水平的高质量基因组。同时为方便开展比较基因组学分析，团队还率先组装了苹果族近缘植物美吐根（Gillenia trifoliata）染色体水平的高质量基因组。多物种的单拷贝基因进化分析表明，苹果族植物（含枇杷、苹果和梨在内）在大约13.5至27.1 百万年前与美吐根祖先发生了物种分化。染色体共线性分析发现，美吐根/桃与枇杷/苹果的染色体共线性块存在1:2的关系，预示枇杷/苹果所在分支在演化过程中发生了全基因组复制事件（WGD）。
比较基因组分析证实苹果族在13.5至27.1百万年前发生了全基因组复制
为判断枇杷与近缘物种叶片三萜酸积累能力的差异，研究团队系统分析了桃-美吐根-枇杷-苹果不同发育阶段叶片中的三萜酸组分和总量差异。结果表明，分析的四个物种均主要积累乌苏烷型和齐墩果烷型三萜酸，有意思的是枇杷成熟叶片的三萜酸（特别是熊果酸和科罗索酸为主的乌苏烷型三萜酸）积累总量是桃-美吐根-苹果的近10倍。更细致的发育阶段代谢分析表明，枇杷叶在叶片发育中期即开始大量积累熊果酸，而在叶片老熟阶段才开始大量合成科罗索酸。为鉴定在叶片等组织中合成枇杷乌苏烷型三萜酸的主要催化酶基因，团队首先以不同类型三萜酸合成第一步关键催化步骤酶基因家族鉴定为切入点，结合组织转录组分析，发现2个高表达的氧化鲨烯合成酶基因EjOSC1/2（其同源基因编码蛋白主要合成α香树精，乌苏烷型三萜酸的前体）。同时围绕这两个OSC基因对转录组数据进行共表达分析，挖掘到两个三萜酸修饰基因，CYP716A和CYP716C。烟草瞬时表达表明，枇杷中含有至少两条完整的乌苏烷型三萜酸合成通路：EjOSC1-EjCYP716A1-EjCYP716C1和EjOSC2-EjCYP716A2-EjCYP716C2。
枇杷三萜酸合成基因鉴定与代谢通路推定
通过对桃、美吐根（WGD事件之前）以及苹果、枇杷（WGD事件之后）在基因组、代谢组和转录组等多组学的综合研究，研究人员发现，合成乌苏烷类型的三萜酸OSC-CYP716A-CYP716C在WGD事件之前就已经存在，全基因组复制后，该通路得以在枇杷中完整复制和保留。有意思的是，OSC-CYP716A-CYP716C通路基因在枇杷中的共表达相关性远远高于美土根，表明全基因组复制后，代谢通路变得更高效。
综上，该研究揭示了枇杷叶在漫长人类历史发展过程中被选作药材的一种可能的分子进化机制。同时，也为利用合成生物学开发高价值的天然小分子以及枇杷分子育种提供了基因组基础，还为蔷薇科的比较基因组学、进化生物学等研究提供了高质量的基因组支撑。
以上研究工作由林顺权课题组联合深圳华大基因、莆田学院和上海交通大学等多家单位协作完成。华南农业大学苏文炳博士（现福建省农业科学院果树研究所副研究员）、深圳华大基因静一，林授锴（莆田学院） 、岳震（华大）和杨向晖（华农）为共同第一作者；华南农业大学林顺权教授和上海交通大学刘振华副教授为共同通讯作者。华南农业大学夏瑞研究组以及英国诺丁汉大学LeviYant等参与了本研究。研究的开展得到了农业农村部公益性行业（农业）科研专项（201003073）、福建省高校服务海西建设重点项目（2008HX02）、国家自然科学基金（31901973）、上海市浦江人才计划、国家重点研发（2019YFD1000200）等项目的共同资助。、
日期：2021-05-18
