2023年1月6日，南京中醫(yī)藥大學(xué)吳啟南教授團(tuán)隊(duì)和英國(guó)約克大學(xué)Benjamin R Lichman教授團(tuán)隊(duì)在Molecular Plant(中科院1區(qū), IF:21.9)雜志合作在線發(fā)表了題為A chromosome-level genome assembly reveals that a bipartite gene cluster formed via an inverted duplication controls monoterpenoid biosynthesis in Japanese catnip的研究論文。南京中醫(yī)藥大學(xué)吳啟南教授和英國(guó)約克大學(xué)Benjamin R Lichman教授為該論文的通訊作者，南京中醫(yī)藥大學(xué)劉潺潺講師、英國(guó)約克大學(xué)Samuel Smit、南京中醫(yī)藥大學(xué)博士研究生黨靜潔和周佩娜為論文的共同第一作者。本研究首次報(bào)道了唇形科植物裂葉荊芥(藥材名：荊芥；別名：日本貓薄荷)的高質(zhì)量基因組，破解了(-)-胡薄荷酮生物合成路徑中的關(guān)鍵酶基因，并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)包含四步胡薄荷酮生物合成路徑的基因簇。

圖1 薄荷烷類單萜在荊芥和歐薄荷中的生物合成路徑

   荊芥為唇形科裂葉荊芥屬裂葉荊芥Schizonepeta tenuifolia (Benth.) Briq.的地上部分。具有解表散風(fēng)，透疹，消瘡等功效，為臨床常用中藥。新型冠狀病毒(COVID-19)感染者居家中醫(yī)藥干預(yù)指引中，治療推薦的銀翹散、荊防顆粒等均使用了荊芥。荊芥的主要藥效物質(zhì)為揮發(fā)油，具有較強(qiáng)的抗炎、抗病毒和抗氧化作用。經(jīng)課題組前期研究發(fā)現(xiàn)荊芥揮發(fā)油主要以(-)-胡薄荷酮型的薄荷烷類單萜為主。1990年代，美國(guó)科學(xué)院院士Rodney Croteau首次破解了歐薄荷中(+)-胡薄荷酮生物合成路徑，但數(shù)十年以來(lái)，我們對(duì)于(-)-胡薄荷酮生物合成的機(jī)制尚且未知。本研究首次組裝了裂葉荊芥染色體級(jí)別的參考基因組。其中在裂葉荊芥中發(fā)現(xiàn)的屬于Old Yellow Enzyme家族的StIPR和在薄荷中屬于Short Double Reductase家族的MlIPR具有相同的催化功能。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)StIPR可以催化香芹酮生成二氫香芹酮，也完善了歐薄荷中香芹酮的下游合成路徑。但兩者卻分屬于不同的蛋白家族，說(shuō)明兩個(gè)物種中的這一步合成路徑呈現(xiàn)趨同進(jìn)化。

   結(jié)合Hi-C組裝數(shù)據(jù)，基于近緣植物基因組的微共線性分析，我們發(fā)現(xiàn)這類與薄荷烷類單萜生物合成相關(guān)的基因簇是裂葉荊芥所特有的，且歐薄荷和裂葉荊芥中LS和L3OH的基因?qū)κ仟?dú)立進(jìn)化的，這在趨同進(jìn)化事件中較為少見(jiàn)。因此，我們對(duì)荊芥中薄荷烷類單萜合成相關(guān)的基因簇形成機(jī)制進(jìn)行了推演。在LS和L3OH基因?qū)Τ霈F(xiàn)之后，IPR基因插入在LS和L3OH基因?qū)χ虚g，然后經(jīng)歷了反向復(fù)制，隨著串聯(lián)復(fù)制帶來(lái)的基因組擴(kuò)張，最終在裂葉荊芥中形成了特有的(-)-胡薄荷酮生物合成的基因簇(圖2)。

圖2 裂葉荊芥和歐薄荷中基因進(jìn)化示意圖

   通過(guò)高質(zhì)量的基因組裝，本研究首次發(fā)現(xiàn)了基因簇在裂葉荊芥薄荷烷類單萜生物合成中的作用，同時(shí)確定了歐薄荷和裂葉荊芥之間趨同進(jìn)化的關(guān)系，是兩種相反手性的薄荷烷類單萜合成關(guān)鍵基因功能解析與進(jìn)化的一個(gè)重要突破。唇形科植物的次生代謝產(chǎn)物豐富多樣，具有很高的文化、醫(yī)藥和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，本文為植物代謝進(jìn)化和物種多樣性的研究提供了可參考模型，為中藥藥效物質(zhì)基礎(chǔ)生物合成的分子機(jī)制研究提供理論和技術(shù)支持。

   該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金(81973435、81903756)、南京中醫(yī)藥大學(xué)自然科學(xué)基因青年項(xiàng)目、江蘇省政府基金、英國(guó)UKRI和BBSRC項(xiàng)目的支持。

   論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.01.004