Nat Commun | 兰州大学刘建全团队揭示茄科植物远亲谱系中两种莨菪生物碱的生物合成进化历史

植物中的次级代谢产物对于强大的进化选择起到了关键作用。值得关注的是，在远缘谱系中我们可以观察到相同的植物次生代谢产物，这提示自然选择通过生物和非生物应激源多次形成这些代谢产物，包括防御病原微生物和食草动物、与传粉昆虫的相互作用，以及抵御干旱、紫外线（UV）辐射和霜冻等。

另一种解释是这些代谢途径可能起源于所有相关谱系的最新共同祖先，并在远缘谱系中得以保留，但由于多样化过程中的不利选择压力或遗传漂移，可能在一些近缘谱系中丧失。

山莨菪碱和东莨菪碱（HS）是两种在茄科的多个远缘谱系中具有重要药用价值的莨菪生物碱，但是关于其合成进化历史的理解依然有限。近日，兰州大学刘建全团队在Nature Communication在线发表了题为"Multiple independent losses of the biosynthetic pathway for two tropane alkaloids in the Solanaceae family"的研究论文，该研究基于不同谱系的茄科植物基因组分析，揭示了两种莨菪生物碱生物合成的进化历史，并发现在茄科植物中两种莨菪生物碱的生物合成途径存在多次独立的丧失。

在这项研究中，研究人员对产生HS的三个谱系代表性物种（Brugmansia arborea、Anisodus tanguticus和Mandragora caulescens）以及一个不产生HS的物种（Lycium chinense）的基因组进行了测序。同时还从其他13个不产生HS的物种中获取了高质量基因组，代表了多个不产生HS谱系，以进行茄科这些远亲谱系中HS生物合成的比较和评估。

A summary of the genomic characteristics of four Solanaceae species.

该研究分析了三种HS产生物种中负责HS产生的共同生物合成途径。在两种类型的物种中，观察到与HS合成相关的高水平基因共线性。此外，通过在关键位点引入功能获得和功能丧失突变，研究人员分别证实了这两种物种中参与HS合成的关键基因的功能减少/丧失或重新激活。这些发现表明，自HS生物合成途径起源于祖先谱系以来，它独立且重复地丢失。

Microsyntenty analysis of LS and CYP80F1 regions.

对这些基因和关键突变的深入了解有助于在广泛种植的茄科作物（包括西红柿和马铃薯）中设计HS途径，以便将来更有效地获取这两种代谢物。这项研究为茄科作物HS生物合成的人工工程提供了潜在的应用前景。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-44246-3

图文来源：植物代谢研究公众号

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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