近日，基因組所(省實驗室深圳分中心)王麗課題組在《科學(xué)進(jìn)展（Science Advances）》（IF=15.3）在線發(fā)表了題為“Haplotype-phased genome unveils the butylphthalide biosynthesis and homoploid hybrid origin of Ligusticum chuanxiong”的研究論文，基于傘形科藥用植物川芎染色體水平的基因組，重點對左旋正丁基苯酞合成通路下游的去飽和步驟進(jìn)行了解析，實現(xiàn)了苯酞類物質(zhì)生物合成研究的新突破，并揭示了川芎的雜交起源。

苯酞類物質(zhì)（Phthalide）是一類廣泛存在的天然活性產(chǎn)物，其C-3位取代的正丁基苯酞（3-n-Butylphthalide）是治療缺血性腦卒中的一線藥物，年銷售額超過60億元。但丁基苯酞一直依賴于純化學(xué)合成，化學(xué)合成產(chǎn)物為外消旋體，藥效低于天然的左旋體。因此，開拓天然左旋丁基苯酞的生物合成通路的空白，能夠為未來左旋體藥物的生產(chǎn)和開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊選取了富含苯酞類物質(zhì)的傘形科藥用植物川芎（Ligusticum chuanxiong）作為研究體系，繪制了其第一張染色體級別的單倍型分型基因組。川芎基因組大小約為3.5 Gb，雜合度高，約為4.2%，具有11對共22條染色體，每套單倍型約包含5萬個基因。通過將川芎的兩套單倍型及其近緣種藁本（Ligusticum sinense）進(jìn)行了詳細(xì)的比較基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)川芎的兩套單倍型具有顯著的結(jié)構(gòu)變異，至少已分化兩百萬年，應(yīng)來源于不同的祖先物種，其中一套單倍型的野生祖先可能為藁本。這些結(jié)果揭示了川芎是一種雜交起源的藥用植物。

圖|傘形科藥用植物川芎是一種雜交起源的植物

基于一個高質(zhì)量的川芎分型基因組，研究團(tuán)隊重點探究了丁基苯酞的下游通路。首先利用粗蛋白活性實驗確定了洋川芎內(nèi)脂A為左旋丁基苯酞的直接前體。然后通過多組學(xué)聯(lián)合的方式挖掘了34個可能參與去飽和反應(yīng)的氧化酶。最后通過底物飼喂實驗和體外酶活實驗在大腸桿菌、煙草和酵母中驗證了候選2OGD和CYP基因的功能，發(fā)現(xiàn)至少有4個氧化酶能夠介導(dǎo)苯酞類C-4/C-5位碳鍵的去飽和，催化洋川芎內(nèi)脂A轉(zhuǎn)化為丁基苯酞。這些結(jié)果開拓了苯酞類生物合成研究的空白，將助力未來丁基苯酞通路的全解析。

多個冗余的CYP和2OGD介導(dǎo)了左旋丁基苯酞和丁烯基苯酞的合成

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室深圳分中心）為第一單位。基因組所王麗研究員為論文的通訊作者，基因組所博士后聶寶和陳雪青，博士生侯壯偉和郭妙弦為該論文的共同第一作者。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金委員會、廣東省、深圳市及大鵬新區(qū)的資助。項目資助的第一標(biāo)注為合成生物學(xué)國家重點研發(fā)計劃。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj6547