中药材已在中国传统文化中传承和运用了几千年，但与其相关的生物基础研究少之又少。今年发表在《Nature Communications》上的三篇研究论文，突破性地向人们揭示了紫苏、黄连、木脂素的重要生物学发现。
通过基因组测序探究紫苏的起源和进化，利于开发新品种
紫苏常被用于风寒、咳嗽、缓解食物中毒等治疗，同时也因其良好的食用性被用于一些烹饪中。紫苏中α-亚麻酸含量非常高，而α-亚麻酸又是人体无法自身合成的必须脂肪酸，只能从膳食中获得，所以紫苏可以用作日常补充α-亚麻酸的食品性来源。
今年9月，发表在《Nature Communications》上题为“Incipient diploidization of the medicinal plant Perilla within 10,000 years”的研究中，研究人员通过染色体分析发现栽培紫苏为异源四倍体。
通过采集野生紫苏并对其进行染色体分析，研究院发现野生紫苏为二倍体，并通过比较基因组，发现紫苏的多倍体化发生在过去的一万年以内，因此栽培紫苏呈现为多倍体。这项发现是难得的植物多倍体化的案例，同时，研究人员们还观察到亚基因组间的平衡互换现象，进而发现了同源替换在染色体近端粒区域富集的规律。这些研究成果为早期多倍体化后新基因组的进化动态及其生物学机制提供了很好的案例和研究角度，对于植物多倍化研究有着重大贡献。
另外，研究人员还针对紫苏籽油中α-亚麻酸含量的进行了全基因组关联分析（GWAS），确定了与其含量相关的乙酰辅酶A胆碱酰基转移酶基因（LPCAT）。并且通过上游序列的调控可以改变其表达量，进而可以调控紫苏中α-亚麻酸的合成与积累。研究人员还对紫苏的产量、株型、单萜类挥发性化合物等重要农艺和药学性状展开了大量的遗传学解析，确定了与之相关的基因，这对药用植物的基础研究、制药和开发有着重要的作用。
图1. 通过对紫苏籽油的全基因组关联分析（GWAS）确立了与其含量相关的基因，乙酰辅酶A胆碱酰基转移酶基因LPCAT。
高品质的黄连基因组得以成功组装
黄连具有多种药用价值，是世界上有益于人类健康的最珍贵的药材之一。黄连苦味的活性成分主要是小檗碱、黄连碱、药根碱、巴马汀、蒺藜、木兰素等原小檗碱类生物碱。这些生物碱的药理作用已被证实可以用于治疗一般感染性和炎症性疾病，同时也对心血管、糖尿病等有着预防的作用。
今年6月，湖北省食品药品监督检验研究院、华中农业大学、中国中医科学院及湖北中医药大学共同在《Nature Communications》 上发表了题为“Analysis of the Coptis chinensis genome reveals the diversification of protoberberine-type alkaloids”的研究论文。
该研究发表了一个高品质黄连的染色体层面的基因组组合。通过比较基因组分析，研究员们确立了黄连的系统发育过程。同时，他们还鉴定了参与原小檗碱类生物碱生物合成的基因CYP719，它可以编码参与小檗碱生物合成途径的(S)-氢化小檗碱合成酶，而此基因的研究可能迁移到黄连所含其他原小檗碱类生物碱的研究中。这项研究的发现对同科植物的研究提供了非常重要的参考意义。
鉴于黄连中原小檗碱型生物碱的药用价值，研究人员组装了一个高品质黄连在染色体层面上的基因组。组装后的高品质黄连，在有着高度丰富的转运蛋白活性和电子载体活性相关的基因，并且因为许多毛茛属类群是在相对高海拔地区的矮生植物，组装后的高品质黄连基因可能会提高它们在压力暴露（例如，缺光、低温或高盐度）和植物防御下的适应性。
图2. 位于3号染色体上的CYP719基因相关的串联重复基因簇。
此研究提供了早期分化真双子叶植物基因组的重要信息，并为毛茛属的遗传和应用研究提供了有价值的模型基因组。
揭示木脂素生物合成关键酶的分子机制
今年5月，中科院分子植物科学卓越创新中心与上海中医药大学等机构联合研究并发表的“Structure-based engineering of substrate specificity for pinoresinol-lariciresinol reductases”中，研究员们通过合成底物的不同选择以及酶辅助下的化学合成，生成了有不同化学结构和生物活性的木脂素。
板蓝根是被广泛使用于清热解毒的中药材，而木脂素是板蓝根用于发挥生物活性必不可少的成分。木脂素合成过程中所需的关键酶，是松脂素-落叶松脂素还原酶（PLR，Pinoresinol Lariciresinol Reductase），它可以催化松脂醇（Pin, Pinoresinol）生成落叶松脂素（Lar, Lariciresinol），并在此基础上进一步催化Lar生成开环异落叶松树脂醇（Secoisolariciresinol，sec），进而生成具有药用价值的木脂素类化合物。PLR的不同结构决定了后期生成木脂素的结构骨架，对木脂素类化合物结构多样性起着重要作用。
研究人员选取了三个序列相似度大于80%、但具有底物选择性差异的PLR：IiPLR1、AtPrR1、和AtPrR2。IiPLR1能高效催化第一个反应Pin生成Lar并进一步催化第二个反应生成Sec，而AtPrR1在第一个反应中的催化效率明显高于第二个，而AtPrR2只能催化第一个反应，不能催化第二个。
图3. IiPLR1/AtPrR1/AtPrR2功能的生化分析
通过比较IiPLR1/AtPrR1/AtPrR2与底物Pin共晶的结构，研究人员进一步发现和揭示了PLR/PrR催化底物反应的机制，以及PLR/PrR底物选择性催化的机理，这为木脂素类成分的高效定向生产及合成生物学改造指明了重要方向。同时，liPLR1在木脂素的生物技术生产中发挥着重要作用，是中药板蓝根抗菌、抗病毒和免疫调节作用的最重要的成分。
References:
1.Zhang, Y., Shen, Q., Leng, L. et al. Incipient diploidization of the medicinal plant Perilla within 10,000 years. Nat Commun 12, 5508 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25681-6
2.Liu, Y., Wang, B., Shu, S. et al. Analysis of the Coptis chinensis genome reveals the diversification of protoberberine-type alkaloids. Nat Commun 12, 3276 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23611-0
3.Xiao, Y., Shao, K., Zhou, J. et al. Structure-based engineering of substrate specificity for pinoresinol-lariciresinol reductases. Nat Commun 12, 2828 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23095-y
撰文|Sherry Lyu
编辑|小耳朵
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