花椒中麻味素和花椒素的生物合成及无融合生殖的机制

　　花椒隶属于芸香科 (Rutaceae)，是一类受亚洲人普遍喜爱的香料植物。花椒在中国的四川省尤其受到欢迎，因此也被称为 “Sichuan Pepper”。早在2000多年前，中国人已经开始种植和食用花椒。如今，两种花椒属植物—花椒(Zanthoxylum bungeanum Maxim.) 和竹叶花椒 (Zanthoxylum armatum DC.) 在中国广泛栽培，种植面积超过2500万亩，经济价值超过20亿美元。

　　花椒可用于食用和药用的成分主要来自其干燥后的果皮。花椒果皮中的一种生物碱—α山椒素 (hydroxy-α-sanshool)，可在人的嘴唇中产生独特的刺痛感，也就是俗称的“麻味”，又称为麻味素。此外，花椒中的另一种生物碱—wgx-50 (或称gx-50)，又称为花椒素，可用作减少皱纹、缓解疼痛和体外、诱导肝癌细胞凋亡，并且是一种重要的治疗阿兹海默症的候选药物。花椒属植物普遍具有一个重要的生物学特性—无融合生殖，即雌性植株不需要经过受精，直接由珠心细胞发育成胚，进而繁殖后代。目前，花椒中麻味素和花椒素的生物合成通路及其无融合生殖的分子机制尚不清楚。

　　近期，四川大学刘建全团队在Molecular Ecology Resources杂志发表了题为The chromosome-level genome assembly of Sichuan pepper provides insights into apomixis, drought tolerance, and alkaloid biosynthesis的研究成果，结合基因组、转录组和代谢组技术对花椒属植物的两种生物碱的生物合成、无融合生殖及其抗旱特性开展了深入研究。

　　研究团队通过PacBio和HiC技术构建了染色体级别的竹叶花椒基因组，基因组序列长达2.63 Gb，其中87.4%的序列挂载到了33条染色体上。通过基因组注释发现该基因组中重复序列比例超过了80%，蛋白编码基因数量为55355个。系统发育基因组学分析结果表明竹叶花椒与甜橙的亲缘关系最近，二者大约在32.9个百万年前分化。进一步的进化分析发现竹叶花椒大约在26.6个百万年前发生了一次全基因组加倍事件，随后伴随着全长逆转录转座子(LTR)的大量扩张，这也导致了竹叶花椒基因组大小增加到甜橙的8.5倍。有趣的是，LTR的插入也导致一些与缺水响应相关的基因表达量上调，可能与花椒属植物抗旱性的增强有关。

　　研究团队进一步通过基因家族分析和表达量分析鉴定出了与花椒属无融合生殖特性相关的候选基因“Zardc07021”，并以拟南芥为载体进行该基因的过表达，得到了五棵转基因株系。这些株系一致表现出明显的侏儒性状，并出现分枝数量增加、花器官发育异常、果荚大量败育、花尺寸缩小以及雄蕊发育异常。进一步的花粉活性染色和花粉离体萌发实验结果表明，转基因株系的花粉活力和萌发率均显著下降。这些结果表明“Zardc07021”基因可能在花椒属植物的无融合生殖过程中扮演着重要的角色。

　　为了研究竹叶花椒基因组中与麻味素和花椒素（wgx-50）生物合成相关的基因，研究人员还对包括叶、果皮、花、皮刺在内竹叶花椒的9个不同组织进行了转录组和代谢组测序。通过高效液相色谱法 (HPLC) 发现果皮是它们含量最高的组织。结合共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis, WGCNA)，系统鉴定了与麻味素和花椒素生物合成相关的所有候选基因和合成通路。值得注意的是，竹叶花椒基因组中几乎所有候选基因都相对于甜橙发生了显著扩张。例如，负责将亮氨酸或缬氨酸转化成胺前体的支链氨基酸脱羧酶 (branched-chain amino acid decarboxylase, BCAD) 在竹叶花椒基因组中有116个拷贝，而在甜橙基因组中只有62个拷贝。这些关键基因家族的显著扩张也可能导致了花椒中这两个新生物碱的产生或相关生物碱含量的显著增加。

　　四川大学生命科学学院已毕业博士、成都大学特聘副研究员王鸣程为该文第一作者，博士生同少飞为共同第一作者，刘建全教授、席桢翔教授、马涛教授为共同通讯作者。该研究受到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目的资助。