Science：重磅！西安交大葉凱團隊成功破譯罌粟基因組

　　在一項新的研究中，來自中國西安交通大學、上海海洋大學；英國約克大學、威康基金會桑格研究所；澳大利亞太陽制藥私人有限公司的研究人員破譯出罌粟（opium poppy）基因組的DNA密碼，揭示出這種植物產生用于制造重要藥物的藥用化合物的關鍵步驟。這一發現可能為科學家們提高這種藥用植物的產量和抗病性鋪平了道路，從而確保可靠和廉價地供應最有效的用于緩解疼痛和姑息治療的藥物。相關研究結果于2018年8月30日在線發表在Science期刊上，論文標題為“The opium poppy genome and morphinan production”。論文通信作者為西安交通大學青年科學家葉凱（Kai Ye）教授和約克大學的Ian A. Graham教授。論文第一作者為西安交通大學的郭立（Li Guo）副教授和楊曉飛（Xiaofei Yang）講師、約克大學的Thilo Winzer和Yi Li，以及威康基金會桑格研究所的Zemin Ning。

罌粟，圖片來自Részletes engedély/Wikimedia。

　　這些研究人員取得的突破揭示出導致咳嗽抑制劑那可丁（noscapine）以及止痛藥嗎啡（morphine）和可待因（codeine）產生的生物合成途徑的起源。

　　生物化學家幾十年來一直對植物如何經過進化后成為地球上最豐富的化學物多樣性來源之一感到好奇。在這項研究中，通過使用高質量的基因組裝配，這些研究人員闡明了這種情形在罌粟是如何發生的。

　　與此同時，這項研究將為開發植物育種分子工具奠定基礎，這些工具可確保在發展中國家和發達國家可靠且廉價地供應最有效的用于緩解疼痛和姑息治療的止痛藥。

　　科學家們目前正在開發的基于合成生物學的方法來制造那可丁、可待因和嗎啡等化合物，在這種方法中，來自植物的基因通過基因工程手段被導入到酵母等微生物系統中，從而使得能夠在工業發酵罐中制造所需的化合物。然而，罌粟仍然是這些藥用化合物中最便宜的和唯一的商業來源。

　　在這項新的研究中，這些研究人員獲得2.7Gb的分布在11條染色體上的罌粟基因組序列的高質量組裝。這使得他們能夠鑒定出一個較大的由15個基因組成的基因簇，這些基因編碼參與兩種不同生物合成途徑的酶，其中這兩種生物合成途徑參與了可待因和嗎啡的前體物質和那可丁的產生。

　　植物具有重復（或者說加倍）其基因組的能力，當這種情況發生時，重復的基因就能夠自由地進化出其他的功能。這使得植物能夠產生新的機制來制造多種化合物，用于抵御有害微生物和食草動物的侵襲，和吸引蜜蜂等有益物種來協助授粉。

　　這種罌粟基因組裝配允許這些研究人員能夠鑒定出聚集在一起產生STORR基因融合的祖先基因，其中這種基因融合是導致嗎啡和可待因產生的生物合成途徑的第一個主要步驟。罌粟基因組在7800萬年前發生一次相對較新的全基因組重復事件。這種基因融合事件在這種全基因組重復事件之前發生。

　　葉凱教授說，“一種高度重復的植物基因組和過去1億年間發生的混合進化事件讓我們的分析變得復雜。我們利用互補的前沿基因組測序技術、復雜的數學模型和分析方法研究了罌粟基因組的進化歷史。”

　　“令人感興趣的是，由于一系列重復、重排和融合事件的發生，兩種生物合成途徑進入相同的基因組區域，從而能夠協同產生新的代謝化合物。”

　　Ning說，“將多種測序技術結合在一起是進行罌粟基因組高質量組裝的關鍵。鑒于它的基因組大小與人類相似，這個研究項目的主要挑戰是處理組成70.9％的基因組的重復序列。”