中草药基因组文章大盘点

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快到年末了，组学君整理自己的“私库”，发现收集了不少中草药基因组文章，精心整理了一番，就当作粉丝福利了，拿走不谢！ 

中药学是我们中华民族的文化瑰宝，是世代传承的智慧结晶。《神农本草经》记录了中国365种中草药，而据统计中国有1000多种药用植物，因与国人健康息息相关，中药也成为了国民经济重要的支柱产业。随着测序技术的发展，人们逐渐可以从分子角度探究药用植物的功能基因组学、分子育种及合成生物学等领域，为开辟新的植物药用价值提供宝贵的参考。

近年来，不少中药领域的“重量级”物种的基因组信息先后被解码，如被称为“四大仙草”中的人参、灵芝和冬虫夏草；另有大麻、铁皮石斛、甘草、丹参等中药基因组相继被公布，相关研究文献也陆续发表，为中药中的有效药用成分的合成及代谢研究提供了有效工具，为中药“现代化”增添助力。

以下组学君精选三篇文献，和大家一同探讨中药基因组的研究套路

铁皮石斛基因组^[1]

物种名：铁皮石斛 （Dendrobium officinale）

分类：兰科 石斛属

基因组：1.35Gb

石斛属是在兰科中仅次于石豆兰属的第二大属，目前鉴别出的具有较高观赏及药用价值的种类有1000多种。铁皮石斛为石斛之极品，具有独特的药用价值，生于树上和岩石上。

第一个铁皮石斛基因组文章于2014年发表在Molecular Plant上，该研究通过结合第二代Illumina Hiseq 2000测序技术和第三代PacBio测序技术，从头组装出了1.35 Gb的铁皮石斛基因组序列。该研究对铁皮石斛基因组进行注释，研究了与环境适应和共生相关的基因家族，并分析了铁皮石斛中的药用成分合成相关基因。

研究发现：兰科植物有着完整的花序基因集，并有一些相对于其他单子叶植物的特异性的花序基因；石斛中与真菌共生和抗旱性有关的一些基因家族发生了明显扩增；对药用成分合成相关基因的分析发现与多糖生成相关的SPS和SuSy基因发生了大规模复制，铁皮石斛生物碱合成信号通路从已有的研究基础上延伸到16-epivellosimine的合成。

二代测序技术（SGS）和三代测序技术（TGS）的结合有利于解决复杂基因组的组装难题。铁皮石斛的基因组数据，特别是基因家族分析结果，阐明了药用石斛的一些重要生物学特性的基因组基础，包括抗旱性、与真菌共生、兰花基因集的完整性和药用成分的生物合成等，提高对药用植物生物学的认识将最终促进中草药的现代化。

青蒿基因组^[2]

物种名：青蒿（Artemisia annua）

分类：菊科 蒿属

基因组：1.74Gb

青蒿是一年生草本植物，全生育期120天左右。青蒿药用价值很高，青蒿素的衍生物可生产很多系列药品，是抗疟疾化合物青蒿素的唯一天然来源。

2018年3月，Molecular Plant杂志发布了高质量青蒿基因组。该研究同时结合二代测序技术（Illumina和Roche 454）和三代PacBio测序技术，组装得到的青蒿基因组大小为1.74Gb。研究者对青蒿基因组进行注释及基因家族分析，并结合转录组数据，探索青蒿素的生物合成及调控途径。

青蒿基因组高度杂合，杂合度为1.0%–1.5%，同时具有高密度的LTR重复序列。长读长测序数据的加入，跨越了这些单凭短读长技术难以逾越的障碍。通过对青蒿基因组的分析，研究者发现了871个可能为菊科植物所特有的基因家族。青蒿基因组和相关的转录数据不仅为青蒿素的生物合成途径及其调控提供了新的见解，而且也为青蒿素代谢工程研究提供了有效工具。

青蒿素的生物合成涉及多个酶促反应，这意味着可能有多个酶反应步骤限制了青蒿素生物合成过程中的代谢通量。研究者通过过表达青蒿合成途径中上、中、下游的基因，获得了转基因青蒿株系，可以明显提升青蒿素的产量，将有助于应对全球青蒿素需求增加的挑战。

罂粟基因组^[3]

物种名：罂粟（Papaver somniferum L.）

分类：罂粟科罂粟属

基因组：~2.72 Gb

罂粟的花朵色泽艳丽，具有极高的观赏价值。因其蒴果有致人成瘾的特点，被称为“恶之花”。而从另一个角度看，罂粟也是重要的药用植物，其提取物是多种镇静剂的来源，如吗啡、蒂巴因、可待因等。

2018年8月，罂粟基因组在著名科学杂志Science上发布，一度引起轰动。该研究公布了罂粟基因组草图，组装中运用了Illumina、10X genomics及PacBio测序数据，并使用Nanopore和BAC数据辅助验证组装质量，最终contig N50 为1.77Mb， scaffold N50 为 204 Mb。

研究者将罂粟基因组与葡萄、拟南芥、阿拉伯咖啡、莲和耧斗菜等双子叶植物基因组进行比较分析，探索罂粟的演化历程。研究发现，罂粟基因组在距今780万年前发生了一次全基因组加倍事件。

罂粟基因组为研究者提供了一个可以定位与BIA代谢相关基因的机会——位于11号染色体上的一个584kb的区域内，排列着诺斯卡品基因簇、(S)- to (R)-reticuline (STORR)基因及四个吗啡生物碱合成途径相关基因，这些基因在茎中共表达合成吗啡，也称为BIA基因簇。研究发现，基因组重排在罂粟中BIA代谢的进化中起重要作用。

基因测序技术为中药的分子遗传学研究开辟了新大门，使人们得以从基因组水平洞察中药的作用机制。为了提高药用植物参考基因组质量，越来越多的研究者选择在基因组组装中应用PacBio、Nanopore、Bionano、Hi-C及10X Genomics等新技术。技术的发展推动认知进步，相信不久的将来，我们就可以用足够的科学数据支撑起中药之学。一起拭目以待吧~

已发表中药基因组文献汇总

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