Cell Reports | 华北理工大学宋小明团队解析明星植物基因组并搭建数据共享及分析平台

千金藤（2n = 2x = 22）属于毛茛目防己科，约有65属350种。千金藤是一种可食用的食药同源植物，嫩叶和嫩茎可以选择用油炒、水煮或蒸的方式作为蔬菜来烹制。此外，千金藤根块淀粉含量丰富，可以加工成粉条。千金藤不仅具有重要的营养价值，还具有非常重要的药用价值，是一种非常重要且亟待开发的功能性食品和特色资源。迄今为止，从千金藤属植物中分离鉴定了200多种化学成分，主要生物活性成分有生物碱、皂苷、木脂素、类黄酮和酚类等，已被证明具有抗肿瘤、抗纤维化、抗菌、抗炎、抗氧化和抗病毒等药理作用。

千金藤素是一种苄基异喹啉生物碱，分布于多种植物及蔬菜作物中。千金藤素已被用于治疗严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV）、埃博拉病毒、人类冠状病毒、中东呼吸综合征冠状病毒和SARS-CoV-2。千金藤素对冠状病毒的治疗具有潜在的重要意义，因此了解其在植物中的生物合成机制非常重要。然而，相关基因组尚未解析，严重阻碍了对千金藤素生物合成分子调控机制的研究。

近日，华北理工大学生命科学学院宋小明团队在国际著名期刊Cell Reports（经典Cell子刊）在线发表了题为The genome of Stephania japonica provides insights into the biosynthesis of cepharanthine的研究论文，对千金藤基因组进行了全面解析。

研究基于组学测序、生物信息学和分子生物学技术全方面的解析千金藤基因组，并挖掘鉴定了千金藤素生物合成基因。研究获得了一个高质量的千金藤基因组，基因组大小为688.52 Mb, 97.37%的序列锚定在11条染色体上。基因组包含67.46%的重复序列和21,036个基因。千金藤与两个毛茛科物种关系密切，在55.9至71.02百万年前从这两个物种的共同祖先中分离出来，并在85.59–96.75百万年前发生全基因组复制事件（图1）。

图1. 千金藤与近缘种间的基因组点图和共线性分析

以双子叶植物祖先核型（AEK）为参考，研究对千金藤和其他代表性近缘物种进行了基因组全局比对图谱的构建（图2）。基因保留丢失分析表明千金藤染色体不同区域的保留水平存在明显差异。

图2. 千金藤与其他代表性物种基因组全局比对图谱和基因保留丢失分析

研究进一步重建了毛茛目物种的祖先染色体核型，发现许多染色体有较好的保守共线性关系（图3）。从这些共线性基因中推测祖先染色体核型，通过比较五个毛茛目物种的基因组，获得了RCT（毛茛目共享加倍事件）发生前的祖先核型A（图3）。

图3. 五种毛茛目植物的系统发育拓扑结构、共线性点图和染色体核型重建图

通过Western blot等实验方法对鉴定的千金藤素生物合成相关基因进一步进行了验证。LC-MS检测到两个基因（Sja03G0243, Sja03G0241）表现出催化活性。最后，利用千金藤素生物合成基因、转录因子、CYP450家族基因构建一个全面系统的千金藤素合成基因调控网络（图4）。

图4.千金藤P450基因进化分析及与千金藤素合成基因共表达调控网络构建

最后，基于千金藤基因组和其他代表性植物搭建了一个早期双子叶植物基因组资源数据共享及分析平台。为千金藤等蔬菜及代表性早期双子叶植物的功能基因组学研究提供了丰富的数据资源。

图5. 千金藤等早期双子叶植物组学数据共享及分析平台框架图

华北理工大学生命科学学院宋小明教授为通讯作者，硕士研究生刘卓、沈绍琴为共同第一作者。华北理工大学蔬菜作物功能基因学创新研究团队及国内外多家合作单位的教师和学生也参与了该项研究。该工作得到了河北省杰青项目、河北省重大项目、河北省重点研发项目、国家自然科学基金和河北省自然科学基金等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.113832

数据共享及分析平台链接：

EEGR: http://eegr.bio2db.com

通讯作者简介：

宋小明，教授，主要研究方向为蔬菜作物功能基因组学及数据库平台搭建，在蔬菜作物重要功能基因挖掘解析及数据共享分析平台搭建方面取得了一系列重要原创性成果。2015年博士毕业于南京农业大学蔬菜学专业，获江苏省百篇优博。2019-2020年赴美国内布拉斯加大学林肯分校访学。2019-2022年在电子科技大学进行博士后研究。发表SCI学术论文100余篇，总引用2900余次，h-index=32。以第一或通讯作者在Cell Reports（经典Cell子刊）、Plant Biotechnology Journal、Journal of Advanced Research、iMeta（预估2024年IF>20）、Plant Physiology、Horticulture Research和Plant Journal等国际著名期刊发表SCI论文60余篇。其中，近三年以第一或通讯作者发表中科院一区top论文24篇（5篇IF>10，14篇IF>7）。

担任园艺领域顶刊Horticulture Research副主编，担任中科院SCI大类一区TOP期刊Horticultural Plant Journal编委和Journal of Integrative Agriculture青年编委，任期刊Vegetable Research和Forestry Research副主编，任iMeta、Agriculture Communications期刊青年编委。同时作为Advance Science、Plant Physiology和Molecular Ecology Resources等多个SCI杂志审稿专家。

近五年主持河北省杰出青年基金、国家重点研发计划-青年科学家项目、国家自然科学基金面上和青年项目、中国博后特别资助、教育厅青年拔尖人才等十余个项目。担任国家自然科学基金项目评审专家。荣获中国科技期刊卓越行动计划选育高水平办刊人才子项目案例奖、荣获河北省自然科学奖二等奖。荣获河北省杰青、河北省燕赵英才和唐山市凤凰青年英才等多项荣誉称号。