美国密歇根州立大学揭示近期全基因组复制事件及二萜代谢的大型生物合成基因簇

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关键词：

来源：

Plant Communications

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来源地址：

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2025.101393

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2025-06-03

摘要：

2025年6月3日，美国密歇根州立大学Bjӧrn Hamberger团队于Plant Communications杂志在线发表了题为A high-quality genome assembly of the tetraploid Teucrium chamaedrys unveils a recent whole genome duplication and a large biosynthetic gene cluster for diterpenoid metabolism的研究论文。本研究揭示了墙生石蚕（Teucrium chamaedrys）基因组中存在大量二萜合成酶基因，并发现这些基因在基因组中显著聚集，形成了一个大型生物合成基因簇（BGC）。通过比较基因组学分析，研究进一步阐释了生物合成基因簇在特化代谢复杂途径的动态进化和增殖中的关键作用。研究团队首先采用牛津纳米孔长读长（265 Gbp）和Illumina短读长（95 Gbp）测序技术，成功组装了墙生石蚕（Teucrium chamaedrys）的高质量基因组（2.9 Gbp）。基因组特征分析显示，其大小约1.7 Gbp，杂合率极低（0.14%），注释获得128,111个高置信度蛋白编码基因。随后，研究者通过多维度分析（BUSCO评估、k-mer分析、OrthoFinder比对及细胞遗传学观察）一致表明该物种为近期形成的四倍体（2n=62），其全基因组复制事件约发生在400万年前。接下来，研究者发现三种石蚕属植物（黄石蚕、马鞭草石蚕和加拿大石蚕）中存在大规模的二萜合酶（diTPS）基因簇，其中黄石蚕的四个基因组区域和马鞭草石蚕的一个区域集中了大部分diTPS基因，这些基因在系统发育上高度相似并显示出显著的共线性关系。这些基因簇同时包含I类和II类催化机制的酶，构成一个可能参与弥罗松二烯合成的生物合成基因簇（BGC），且该BGC还含有多个与二萜代谢相关的CYP71家族细胞色素P450酶。黄石蚕中diTPS基因的显著扩增（呈现1:4的复制比例）可能源于全基因组复制（WGD）事件，这与其作为唇形科中二萜多样性最丰富的属之一的特性相符，而基因冗余和后续的功能分化可能促进了该属特化代谢途径的多样化。最后，本研究系统的解析了石蚕属植物中克罗烷类化合物的代谢机制，通过农杆菌介导的本氏烟草表达系统对T. chamaedrys的四个预测克罗烷合酶进行了功能鉴定。实验证实这些活性酶均特异性催化生成异-KDP，其衍生物异-柯拉瓦醇（11.5分钟）和异-柯拉瓦烯醇（13.5分钟）经质谱确证，与该物种已知的4,18位修饰克罗烷结构特征相符。虽然未检测到(-)-KDP合酶活性，但通过比较基因组学提出了三种可能的进化机制：基因丢失、关键氨基酸突变或趋同进化。