科學家破譯茶枝柑基因組遺傳圖譜

茶枝柑屬于蕓香科柑橘屬寬皮橘物種，是歷經700多年馴化栽培的柑橘變種，其果皮制干即為中藥“廣陳皮”，含有多種生物活性成分。多甲氧基黃酮是“廣陳皮”中關鍵的藥用成分，但目前對其生物合成的遺傳基礎及調控機制知之甚少。

近日，我國科學家在“廣陳皮”活性成分合成調控機制研究方面取得重要進展，他們通過多組學技術破譯了茶枝柑基因組的遺傳圖譜，揭示了多甲氧黃酮合成的潛在通路以及基因調控網絡。相關成果發表于《自然-通訊》。

發現一種新的酶基因

“該研究首次報道一種新的酶基因，該基因被證實能夠直接合成具有抗腫瘤作用和抗神經炎癥活性的多甲氧基黃酮化合物。”論文共同通訊作者、華南農業大學教授吳鴻表示，該研究從基因挖掘-代謝物合成-轉錄調控三個層次詳細闡述了“廣陳皮”活性成分多甲氧基黃酮的合成調控機制，為“廣陳皮”獨特的藥用成分形成及價值提供了科學支撐。

茶枝柑基因組圖譜。研究團隊供圖

由深圳華大生命科學研究院研究員劉歡團隊、南京中醫藥大學教授劉鄂湖團隊、華南農業大學教授吳鴻團隊合作，首次報道了一種新的甲氧基轉移酶基因CcOMT1，該基因被證實能夠直接合成氧化程度最高、生物活性顯著的3,5,6,7,8,3',4'-七甲氧基黃酮（HPMF），該化合物具有抗腫瘤的作用和抗神經炎癥活性。

HPMF具有抗腫瘤的作用，可能成為治療癌癥的潛在候選藥物，但其生物合成的途徑未知。從代謝組數據中，研究團隊發現柚皮黃素（3-羥基-5,6,7,8,3',4'-六甲氧基黃酮）的相對含量與HPMF的相對含量顯著相關，并且從化合物結構上推斷，柚皮黃素的3-羥基經過甲基化后可以生成HPMF。

基于上述推斷，研究團隊進行相關酶的篩選與鑒定，成功表征出甲基轉移酶CcOMT1的活性，實驗證實該酶確實能夠催化柚皮黃素合成HPMF。同時，體內瞬時過表達和基因沉默實驗均證明CcOMT1能夠顯著改變茶枝柑果皮中的HPMF含量。因此，CcOMT1被認為是茶枝柑中HPMF合成的候選酶，這也是首次報道的可直接合成HPMF的甲氧基轉移酶。

每年的9月至12月是茶枝柑果皮采收的季節，不同時間段采收的果皮制作出來的陳皮也有不同的功效。研究團隊通過對道地產區新會茶枝柑不同發育時期的花、葉以及果實等組織進行轉錄組測序研究，發現多甲氧基黃酮合成的關鍵酶——甲氧基轉移酶在不同發育階段、不同組織中的表達模式存在差異。

論文共同通訊作者、深圳華大生命科學研究院研究員劉歡表示，通過代謝組檢測，該研究在茶枝柑的不同組織中共發現29種多甲氧基黃酮化合物，并且不同發育階段多甲氧基黃酮的相對含量存在差異，但是大多數化合物相對含量在花后200天（9月）的果皮中達到最高，研究結果支持該時間段是生產上茶枝柑果實采摘的適宜期。

破譯茶枝柑基因組圖譜

論文共同第一作者、深圳華大生命科學研究院副研究員王亞玉表示，該研究通過短讀長測序數據與長讀長測序數據相結合的策略，以及Hi-C 輔助組裝技術，成功構建了茶枝柑染色體級別的高質量基因組，基因組大小為314.96Mb。“茶枝柑基因組共含有蛋白質編碼基因29,722 個，基因組進化分析表明，相比于莽山野橘，茶枝柑與克萊門氏柑橘的親緣關系更相近。”

茶枝柑果皮中含有種類豐富的多甲氧基黃酮，那么基因組中是否存在種類繁多的甲氧基轉移酶基因呢？研究團隊通過同源序列比對以及從頭搜索的方式從茶枝柑基因中鑒定出了47個高可信度，且與多甲氧基黃酮合成直接相關的甲氧基轉移酶基因，包括39 個咖啡酸O-甲基轉移酶基因和8 個咖啡酰輔酶A O-甲基轉移酶基因，主要分布在3號染色體和9號染色體上。

此外，研究團隊發現了多甲氧基黃酮合成基因調控網絡的核心轉錄因子。這些轉錄因子能夠響應干旱、鹽害等非生物脅迫，而這些環境壓力與茶枝柑的自然生長條件高度吻合。新會地區獨特的地理位置——西江支流、潭江以及銀洲湖出海口的交匯處，為茶枝柑的生長提供了特有的鹽脅迫環境。

吳鴻對《中國科學報》表示，與廣東惠州、臺山和廣西玉林等非道地產區相比，新會地區的茶枝柑中，轉錄因子AP2/ERF-ERF、HB-HD-ZIP和LIM的表達量顯著更高。這種表達模式的差異，促進了多甲氧基黃酮合成相關基因的活性，從而增強了新會茶枝柑果實中多甲氧基黃酮的生物合成，為新會陳皮的高品質形成提供了分子層面的解釋。

記者獲悉，該研究是吳鴻團隊與劉歡團隊合作繼2023年3月在國際期刊《微生物組學》（Microbiome）上發表“微生物和土壤養分影響茶枝柑活性成分單萜積累”的文章后，在茶枝柑活性成分多甲氧基黃酮合成調控機制及道地性評價領域取得的又一重要成果。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48235-y