动植物泛基因组研究（二）：次生代谢
上一期我们对泛基因组的基本概念、构建方法、应用范围等作了简要介绍。本期我们介绍下泛基因组研究的重要方向之一：次生代谢。
次生代谢与发育、抗逆共同构成了植物研究的三大热门赛道。植物次生代谢产物是植物对环境的一种适应，是在长期进化过程中植物与生物和非生物胁迫相互作用的结果。特别是在药用植物领域，次生代谢产物是药材质量及有效性的基础。
图 植物代谢进化史[1]
先端上综述：
2022年，Plant Communications在线发表了上海交通大学农业与生物学院刘振华课题组题为 Unlocking Plant Metabolic Diversity: A (pan)-Genomic View的综述，总结植物次生代谢多样性的（泛）基因组基础。
植物次生代谢多样性的（泛）基因组基础
[2]
该文指出基因和（全）基因组复制（whole-genome duplication, WGD）是植物代谢多样性的经典驱动因素，而生物合成基因簇（biosynthetic gene clusters，BGCs）则为协同驱动因子[2, 3] 。WGD相关的代谢多样性已在包括拟南芥、烟草、罂粟、橄榄等众多模式/经济物种中被确证（下图）。通过近缘物种基因组或泛基因组测序比较研究，
特别是种内泛基因组研究
，已将代谢多样性的分子机制分辨率提升到前所未有的等级[2] 。
图 全基因组复制（WGD）是植物代谢多样化的基础[2]
例如在拟南芥等物种中，祖先基因复制产生的子代基因拷贝进化后出现功能分化，驱动代谢产物的多样性[4，5] 。 通过泛基因组研究发现在拟南芥自然种群中三萜类生物合成基因簇的紧凑排列与染色体倒位相关[6] ，而在水稻中次生代谢关键基因TPS28、CYP71Z21和CYP71Z2的
PAV变异
（presence–absence variations，PAVs）导致了水稻不同品系蓖麻烯的含量差异
[7]
。
图 植物代谢多样化的（泛）基因组基础
再上一篇研究：
三个染色体级别罂粟属物种基因组揭示吗啡喃及那可丁合成通路的跳跃式演化
罂粟属植物作为重要的中药材，其合成的那可丁、吗啡喃类物质具有显著的止咳、止疼及抗癌功效，广泛应用于临床治疗。西安交通大学叶凯教授团队在Nature Communications在线发表了题为 Three chromosome-scale
Papaver
genomes reveal punctuated patchwork evolution of the morphinan and noscapine biosynthesis pathway的研究论文
[8]
。 团队运用二代和三代测序及组装技术构建了那可丁及吗啡喃类物质产量各不相同的虞美人、渥美罂粟和鸦片罂粟三个高质量罂粟属物种基因组，系统分析了罂粟属物种基因组进化历史，揭示了那可丁及吗啡喃类物质合成通路的跳跃式演化。
图 三个罂粟属物种基因组统计
图 三个罂粟属物种基因组演化
值得一提的是，罂粟生物碱合成关键途径——苄基异喹啉生物碱通路（benzylisoquinoline alkaloid pathway，BIA）及其关键基因作者已于前期发表在Science上的研究完整解析
[9]
（下图）。
图 苄基异喹啉生物碱（BIA）通路及其关键基因
在本次研究中，作者通过泛基因组比较研究（PAV、SV等），深入解析了BIA通路基因簇及STORR关键基因的进化历史，提出了跳跃式演化的观点。
图 BIA通路基因簇进化史
图 STORR基因的进化史
最后作者分析了三个物种中吗啡喃合成途径关键基因拷贝数、基因表达与吗啡喃含量的关系，指出CODM、T6ODM和COR三个基因的数量在鸦片罂粟中受正选择。
如果一篇不过瘾，再上一篇：
罂粟属物种基因组揭示生物碱合成通路的拷贝数变异
来自中国中医科学院中药研究所李秋实博士等人的大作，同样发表于Nature Communications
[10]
。 作者使用Hi-C数据提升了已发表的罂粟基因组图谱，同时测序了10个生物碱含量不同的罂粟品种（泛基因组的味道）。 作者完整解析了BIA通路的关键基因的基因组位置与基因表达，同时深入揭示了不同品种中BIA基因聚集/成簇分布、基因拷贝数变异（PAV和CNV）与基因（共）表达、生物碱含量的关系。 最后发现T6ODM串联重复基因簇的缺失导致对应品种不含吗啡和可待因。
图 BIA通路关键基因及其不同组织表达
图 BIA通路关键基因拷贝数变异
图 吗啡喃合成途径关键基因拷贝数、基因表达与吗啡喃含量
最后，小结一下。
当前阶段单个样本的基因组学研究已经进入瓶颈期，由于测序技术的降本增效，泛基因组研究的风口已经来临。从PAV、CNV、SV等较大尺度变异的角度去重新审视不同个体样本中差异显著的次生代谢关键产物（黄酮、萜类、生物碱等）涉及的代谢通路（MVA、MEP、BIA等）和关键基因家族（CYP450s、UGTs等）的变化，揭示其背后的遗传基础，可能是一个不错的方向。
参考文献
1. Maeda, H.A. and A.R. Fernie, Evolutionary History of Plant Metabolism. Annu Rev Plant Biol, 2021. 72: p. 185-216. 2. Zhou, X. and Z. Liu, Unlocking plant metabolic diversity: A (pan)-genomic view. Plant Commun, 2022. 3(2): p. 100300. 3. Liu, Z., et al., Drivers of metabolic diversification: how dynamic genomic neighbourhoods generate new biosynthetic pathways in the Brassicaceae. New Phytol, 2020. 227(4): p. 1109-1123. 4. Liu, Z., et al., Evolutionary interplay between sister cytochrome P450 genes shapes plasticity in plant metabolism. Nat Commun, 2016. 7: p. 13026. 5. Su, W., et al., Polyploidy underlies co-option and diversification of biosynthetic triterpene pathways in the apple tribe. Proc Natl Acad Sci U S A, 2021. 118(20). 6. Liu, Z., et al., Formation and diversification of a paradigm biosynthetic gene cluster in plants. Nat Commun, 2020. 11(1): p. 5354. 7. Zhan, C., et al., Selection of a subspecies-specific diterpene gene cluster implicated in rice disease resistance. Nat Plants, 2020. 6(12): p. 1447-1454. 8. Yang, X., et al., Three chromosome-scale Papaver genomes reveal punctuated patchwork evolution of the morphinan and noscapine biosynthesis pathway. Nat Commun, 2021. 12(1): p. 6030. 9. Guo, L., et al., The opium poppy genome and morphinan production. Science, 2018. 362(6412): p. 343-347. 10. Li, Q., et al., Gene clustering and copy number variation in alkaloid metabolic pathways of opium poppy. Nat Commun, 2020. 11(1): p. 1190.
