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文献解读｜红豆杉基因组为紫杉醇的生物合成提供了见解

来源：花匠小妙招时间：2025-03-25 22:09

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裸子植物红豆杉属是抗癌药物紫杉醇的唯一来源，该研究完成了南方红豆杉（T. chinensis var. mairei）染色体水平基因组，总大小为10.23 G。通过基因组进化分析与转录组数据分析，解析了紫杉醇生物合成过程的关键基因簇，有助于阐明紫杉醇的生物合成的生物学和进化问题，并为裸子植物基因组结构提供新见解。

标题：

The Taxus genome provides insights into paclitaxel biosynthesis

期刊：

Nature Plants（IF=15.793）

发表时间：

2021.7

研究策略：

PacBio + Illumina + Hi-C

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主要研究结果：

1. 红豆杉基因组测序、组装和注释

该研究从南方红豆杉的单倍型胚乳材料中提取基因组DNA，通过结合PacBio和Illumina测序技术，对红豆杉基因组进行测序和组装，得到基因组大小为10.23 Gb，contig N50为2.44 Mb。使用Hi-C技术将9.86 Gb的组装数据挂载到12条染色体上，挂载率为96.28%。在基因组信息的基础上，该研究通过从头注释、同源基因注释和转录组辅助注释，得到42,746个蛋白编码基因。比对BUSCO数据库中， 1,614个有胚植物核心基因集，获得1,052个完整基因，显示出该基因组组装的完整性较高。

2. 红豆杉基因组进化分析

全基因组复制Ks分析表明红豆杉基因组与其他针叶植物共同经历了一次古老的全基因组复制（WGD）事件，所以WGD可能在红豆杉基因组扩大过程中起到一定的作用。此外，该研究通过LTR鉴定及插入时间分析，表明基因组中LTR长期而连续的插入，可能是导致红豆杉形成超大基因组的主要原因。

为了进一步探究红豆杉中LTR的进化，该研究挑选了一些代表性的裸子植物（欧洲云杉、银杏、红豆杉）和被子植物（毛果杨、玉米、水稻）进行系统发育分析。发现在漫长的进化过程中，红豆杉LTR，Gypsy和Copia超家族经历了相对独特的进化模式，特别是形成了独特的Gypsy I族和Copia V族。

3. 红豆杉基因家族的进化和次生代谢物的提高

为了了解红豆杉进化过程中代谢网络的背景，该研究比较了红豆杉与裸子植物、被子植物和隐花植物的同源基因，发现红豆杉有2,339个特有的基因家族。此外，红豆杉中有1,378个基因家族丢失（L），142个基因家族发生扩张（E），41个基因家族发生收缩（C）。通过对发生扩张的基因家族进行分析，发现8个基因家族与CYP450相关。Pfam功能分析进一步显示，红豆杉基因在CYP450基因家族和转录因子得到富集。KEGG分析结果表明，发生扩张的基因家族富集到1个苯丙类和3个萜类代谢途径。

4. 红豆杉CYP450基因的进化和基因组定位

由于CYP450参与了紫杉醇生物合成中大部分的酶反应过程，对红豆杉CYP450基因家族进行系统发育分析。与其他68个代表性物种相比，红豆杉CYP750和CYP725基因家族有明显的扩张。CYP725分为CYP725A和CYP725B亚家族，发现CYP725A亚家族在红豆杉中特异存在，而CYP725B亚家族在裸子植物（包括云杉、苏铁、银杏和红豆杉）中普遍存在，说明CYP725A亚家族在红豆杉中经历了独立进化。作者此前研究定义的紫杉醇途径中，相关CYP450基因均属于CYP725A亚家族，表明CYP725A亚家族的扩张在红豆杉紫杉醇生物合成进化的过程中起到至关重要的作用。

同时，该研究注意到大多数CYP725A基因位于9号染色体上，并表现出明显的非均匀分布。作者通过基因定位分析进一步研究发现，红豆杉CYP450基因并非随机分布，而是更倾向于组成不同的基因群，在基因组中检测到25个基因群。此外，茉莉酸作为次生代谢产物生物合成所必需的植物激素，与红豆杉CYP450基因的表达调控密切相关。

大多数CYP450基因在茉莉酸处理条件下共同表达，说明CYP450基因的分组具有一定的生理协调功能。该研究发现，在9号染色体上，9.1-9.4组在茉莉酸处理下，基因显著上调表达。其中，9.1和9.2组包含已知的与紫杉醇生物合成相关的CYP725A亚家族基因和12个未定义的CYP725As。这些结果表明，9.1和9.2组可能包含红豆杉进化过程中出现的紫杉醇途径的大部分基因。

5. 紫杉二烯生物合成基因按基因簇排列

作者通过PlantiSMASH分析，进一步发现与萜烯生物合成相关的潜在基因出现在基因群9.2中。该基因簇由2个TS基因，2个T5αH基因和2个未知CYP725As串联组成。此外，簇中基因显示出高度协调的组织表达模式一致性，以响应茉莉酸的外施处理，表明这些基因可能在功能上存在相关性。TS2和TS3位于T5αH1和T5αH2附近，表明紫杉醇生物合成前两个步骤的基因是由红豆杉基因组进化过程中的基因串联重复事件导致的。同时作者通过酶活性分析、外施茉莉酸处理等实验，证明TS1/2和T5αH1/2/3复制的基因在红豆杉中仍具有相应的酶活性，并且TS2可能通过茉莉酸信号在紫杉醇生物合成过程中发挥作用。

总之，这些研究结果表明，参与紫杉醇生物合成途径的两个初始步骤的基因排列在“紫杉二烯基因簇”中，该基因簇可能由红豆杉的基因复制和新功能化而形成。

总结：

该研究通过构建红豆杉染色体水平基因组，系统分析了紫杉醇合成相关基因的基因组定位与协同表达调控，绘制了相关基因家族的基因组位置图谱，揭示了CYP450基因家族的基因群分布和调控规律，发现并鉴定出了参与紫杉醇生物合成初识步骤的基因簇。

红豆杉基因组为解析紫杉醇合成途径提供基础，为了解裸子植物基因组特异性进化提供帮助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-021-00963-5