芐基異喹啉生物堿（Benzylisoquinoline Alkaloids, BIAs）是一類結(jié)構(gòu)多樣且藥理活性豐富的植物次生代謝產(chǎn)物，包括嗎啡喃、小檗堿和木蘭堿等。這類天然化合物主要分布于防己科、罌粟科等基部真雙子葉及木蘭類植物，具抗炎、鎮(zhèn)痛、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤和抗病毒等多種活性，在傳統(tǒng)醫(yī)藥和現(xiàn)代藥物研發(fā)領(lǐng)域均具有重要應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前人們對(duì)真雙子葉植物早期分化類群中BIAs的生物合成途徑已有了較為全面的認(rèn)識(shí)，但木蘭類植物中BIAs的生物合成途徑以及起源演化尚不清楚。

BIAs和馬兜鈴酸合成途徑及關(guān)鍵基因的進(jìn)化歷史

國(guó)家植物園（南園）焦遠(yuǎn)年研究組利用木蘭類主要支系代表物種的基因組信息，包括新測(cè)序的馬兜鈴科植物馬蹄香（Sarumahenryi）和木通馬兜鈴（Aristolochiamanshuriensis），開(kāi)展了系統(tǒng)的比較基因組學(xué)分析，揭示了木蘭類植物在進(jìn)化過(guò)程中的全基因組加倍（WGD）事件進(jìn)化歷史，首次推測(cè)了木蘭類植物的祖先染色體核型，并進(jìn)一步闡明了染色體結(jié)構(gòu)和重排的歷史。

研究人員通過(guò)多組學(xué)聯(lián)合分析，厘清了木通馬兜鈴中BIAs生物合成的遺傳途徑。通過(guò)煙草異源表達(dá)體系，研究人員驗(yàn)證了CNMT、6OMT和NMCH等關(guān)鍵基因在BIAs生物合成通路中的功能。進(jìn)一步通過(guò)進(jìn)化基因組學(xué)研究探討了BIAs合成途徑的起源和演化歷史。

研究發(fā)現(xiàn)BIAs合成相關(guān)基因多數(shù)起源于被子植物分化前的古老基因重復(fù)事件，但只有基部真雙子葉植物和木蘭類植物通過(guò)選擇性保留這些重復(fù)基因而維持了BIAs的合成能力。相比之下，單子葉植物和核心真雙子葉植物則因這些關(guān)鍵基因的特異性丟失而喪失了BIAs生物合成潛能。因此，本研究發(fā)現(xiàn)古老重復(fù)基因的偏好性保留和差異丟失是BIAs趨同演化的主要原因。

相關(guān)研究于4月29日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上。國(guó)家植物園（南園）已畢業(yè)博士研究生胡昳恒、王金朋，助理研究員易欣，博士研究生劉璐妹和王新為該論文共同第一作者，焦遠(yuǎn)年研究員為通訊作者。博士研究生汪建宇、博士后李鹍鵬、助理研究員秦劉玉等也參與了該工作。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及中國(guó)科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接

生物信息學(xué)和植物基因組進(jìn)化研究組

組長(zhǎng)：焦遠(yuǎn)年研究員

郵箱：jiaoyn@ibcas.ac.cn

主要研究方向：

1. 多倍化與植物適應(yīng)性進(jìn)化；

2. 整合組學(xué)與植物新性狀起源和多樣化；

3. 基因組進(jìn)化與植物重大進(jìn)化事件。

編輯 | 韓藝

審核 | 梁鵬鴻