一个高质量的黄连染色体规模的基因组组装和注释

　　黄连 (Coptis chinensis Franch.) 是毛茛科的一员，代表了一个重要的早期分叉双子叶植物谱系，具有多种药用价值。

　　2021年6月2日，湖北省食品药品监督检验研究院聂晶，华中农业大学王学奎，中国中医科学院陈士林及湖北中医药大学Liu Yifei（湖北中医药大学为第一单位）共同通讯在Nature Communications 在线发表题为“Analysis of the Coptis chinensis genome reveals the diversification of protoberberine-type alkaloids”的研究论文，该研究提出了一个高质量的黄连染色体规模的基因组组装和注释。系统发育和比较基因组分析揭示了该物种的系统发育位置，并确定了毛茛科共有的单轮古代全基因组重复 (WGD)。

　　该研究表征了参与黄连原小檗碱型生物碱生物合成的基因。特别是，局部基因组串联重复有助于细胞色素 P450 (CYP) 719 毛茛属进化枝特异性基因家族的成员扩增。 该研究提供了对早期真双子叶植物基因组景观的见解，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。

　　黄连属的物种是世界上有益于人类健康的最珍贵的药材之一。黄连（Coptidis rhizome，CR）的根茎，中文又名“黄连”，几千年来一直被收录在许多中医经典方剂中。在中国汉代（公元前202年-公元220年），黄连的药用首先被列入神农本草（神农本草经）。在明朝（公元 1368 年 -公元1644 年），中国植物学和医学百科全书《本草纲目》中已经详细记载了中国金线的药理作用和用途。黄连苦味的活性成分和作用剂主要是小檗碱、黄连碱、药根碱、巴马汀、蒺藜、表小檗碱、木兰素等原小檗碱类生物碱。已经报道了这些生物碱的各种药理特性，包括治疗一般感染性和炎症性疾病的特性，以及与心血管、糖尿病、癌症和神经系统相关的健康问题的预防和治疗特性。

　　黄连属与毛茛科的其他成员一起，对于它们在现存开花植物树中的关键系统发育位置也很重要。在毛茛科中已描述了两千多种，其中大部分是草本植物。其中，大约有 15 种黄连被确认，其中大部分仅限于从东亚到北美的暖温带气候和寒冷针叶林的较小地理区域。在我国，黄连是分布较广的黄连属植物，其干燥根茎是中药中“黄连”最常用的原料。毛茛科代表早期进化的双子叶植物中的一个关键进化谱系。然而，毛茛科的基因组资源是有限的，这阻碍了与其他真双子叶植物的系统发育关系的深入了解。

　　日本黄连 C. japonica 与 Papaver somniferum (opium poppy) 和 Eschscholzia californica (California poppy) 一起，在历史上一直作为研究苄基异喹啉生物碱 (BIA) 生物合成的模型。BIA 是一组复杂多样的天然产物，但它们的存在被认为仅限于某些植物科，包括木兰科、毛茛科、罂粟科和小檗科。

　　在罂粟中，最丰富的生物碱是吗啡烷（即吗啡、可待因和蒂巴因）、邻苯二甲酸异喹啉那可丁和 1-苄基异喹啉罂粟碱，它们主要存在于气生组织的乳胶中 。罂粟的基因组分析允许表征与那可丁和吗啡喃的生物合成相关的 BIA 基因簇，表明潜在的选择压力有利于这些生物碱的快速形成和进化。相比之下，黄连地下根茎中丰富的原小檗碱型生物碱的进化机制尚不清楚，但这些信息对于理解植物中 BIA 的多样化至关重要。

　　在这里，该研究组装了一个高质量的黄连染色体规模的基因组。该研究进行了系统发育和比较基因组分析，以确定黄连作为早期进化双子叶植物中的关键谱系的系统发育位置。研究人员推断，在黄连进化过程中发生了一轮全基因组重复 (WGD)，并表征了来自细胞色素 P450 (CYP) 家族的基因，这些基因对黄连中原小檗碱型生物碱的生物合成和多样化有很大贡献。黄连参考基因组提供了对真双子叶植物进化的见解，对于毛茛属的未来遗传研究和药用应用很有价值。