Science：重磅！西安交大叶凯团队成功破译罂粟基因组

　　在一项新的研究中，来自中国西安交通大学、上海海洋大学；英国约克大学、威康基金会桑格研究所；澳大利亚太阳制药私人有限公司的研究人员破译出罂粟（opium poppy）基因组的DNA密码，揭示出这种植物产生用于制造重要药物的药用化合物的关键步骤。这一发现可能为科学家们提高这种药用植物的产量和抗病性铺平了道路，从而确保可靠和廉价地供应最有效的用于缓解疼痛和姑息治疗的药物。相关研究结果于2018年8月30日在线发表在Science期刊上，论文标题为“The opium poppy genome and morphinan production”。论文通信作者为西安交通大学青年科学家叶凯（Kai Ye）教授和约克大学的Ian A. Graham教授。论文第一作者为西安交通大学的郭立（Li Guo）副教授和杨晓飞（Xiaofei Yang）讲师、约克大学的Thilo Winzer和Yi Li，以及威康基金会桑格研究所的Zemin Ning。

罂粟，图片来自Részletes engedély/Wikimedia。

　　这些研究人员取得的突破揭示出导致咳嗽抑制剂那可丁（noscapine）以及止痛药吗啡（morphine）和可待因（codeine）产生的生物合成途径的起源。

　　生物化学家几十年来一直对植物如何经过进化后成为地球上最丰富的化学物多样性来源之一感到好奇。在这项研究中，通过使用高质量的基因组装配，这些研究人员阐明了这种情形在罂粟是如何发生的。

　　与此同时，这项研究将为开发植物育种分子工具奠定基础，这些工具可确保在发展中国家和发达国家可靠且廉价地供应最有效的用于缓解疼痛和姑息治疗的止痛药。

　　科学家们目前正在开发的基于合成生物学的方法来制造那可丁、可待因和吗啡等化合物，在这种方法中，来自植物的基因通过基因工程手段被导入到酵母等微生物系统中，从而使得能够在工业发酵罐中制造所需的化合物。然而，罂粟仍然是这些药用化合物中最便宜的和唯一的商业来源。

　　在这项新的研究中，这些研究人员获得2.7Gb的分布在11条染色体上的罂粟基因组序列的高质量组装。这使得他们能够鉴定出一个较大的由15个基因组成的基因簇，这些基因编码参与两种不同生物合成途径的酶，其中这两种生物合成途径参与了可待因和吗啡的前体物质和那可丁的产生。

　　植物具有重复（或者说加倍）其基因组的能力，当这种情况发生时，重复的基因就能够自由地进化出其他的功能。这使得植物能够产生新的机制来制造多种化合物，用于抵御有害微生物和食草动物的侵袭，和吸引蜜蜂等有益物种来协助授粉。

　　这种罂粟基因组装配允许这些研究人员能够鉴定出聚集在一起产生STORR基因融合的祖先基因，其中这种基因融合是导致吗啡和可待因产生的生物合成途径的第一个主要步骤。罂粟基因组在7800万年前发生一次相对较新的全基因组重复事件。这种基因融合事件在这种全基因组重复事件之前发生。

　　叶凯教授说，“一种高度重复的植物基因组和过去1亿年间发生的混合进化事件让我们的分析变得复杂。我们利用互补的前沿基因组测序技术、复杂的数学模型和分析方法研究了罂粟基因组的进化历史。”

　　“令人感兴趣的是，由于一系列重复、重排和融合事件的发生，两种生物合成途径进入相同的基因组区域，从而能够协同产生新的代谢化合物。”

　　Ning说，“将多种测序技术结合在一起是进行罂粟基因组高质量组装的关键。鉴于它的基因组大小与人类相似，这个研究项目的主要挑战是处理组成70.9％的基因组的重复序列。”