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西安交大在《科學》發文揭示鴉片罌粟基因組及嗎啡合成原理


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8月31日,西安交通大學葉凱青年科學家工作室團隊、英國約克大學Ian Graham院士團隊、英國Sanger研究所寧澤民研究員合作的學術論文在美國最新一期的《科學》(Science)雜志發表,該論文在國際上首次公布鴉片罌粟的高質量全基因組序列,揭示其進化歷史上主要加倍和重排事件,闡明嗎啡類生物堿、合成基因簇的進化歷史,為進一步開發鴉片罌粟藥用價值和揭示罌粟科乃至早期雙子葉植物進化歷史奠定了重要基礎。

其中,葉凱青年科學家工作室郭立副教授與楊曉飛講師為文章共同第一作者,葉凱教授為共同通訊作者,西安交通大學為第一作者單位。據了解,該研究成果文章從接收到在線發表僅時隔8天。

人們都知道,罌粟常被稱之為“惡之花”,外表雖明艷動人,卻能滋生癮患。另一方面,它是緩解人類疾病痛苦的良藥。目前,考古發現在新石器時代阿爾卑斯山腳下的洞穴中就有罌粟使用痕跡,而傳入中國是在唐朝期間經由大食進貢所致。

據葉凱介紹,破解罌粟基因組是當今科學界亟待破解的世界難題。這是由于罌粟的基因組存在大量(約70%)的重復序列,且經歷了多次大規模的結構變異,使得解析該基因組異常困難。

為此,葉凱團隊以英國本土罌粟植物為對象,利用多種前沿基因組測序技術、復雜數學模型、深度挖掘及分析方法成功破譯罌粟基因組并揭示其進化歷史,首次在國際上完成了罌粟全基因組測序及高質量組裝分析。

 

罌粟基因組特征及主要進化事件

研究顯示,罌粟基因組在距今780萬年發生了一次全基因組加倍事件,在距今至少1.1億年發生基因組片段加倍事件。此外,首次發現罌粟合成止咳那可丁和鎮痛嗎啡類生物堿的15個基因在11號染色體上形成超級基因簇,該基因簇在根、莖部特異表達且共表達。

正是由于罌粟在進化過程中由于經歷基因組加倍事件和多次基因片段擴增、丟失、融合和重排等,造成了兩種代謝通路基因的聚集和共表達,形成了超級基因簇,從而能夠協同高效合成新的次生代謝物,而罌粟中最具藥效的嗎啡類生物堿和那可丁成分均屬于罌粟的次生代謝產物。

據相關醫學醫藥專家表示,此次葉凱團隊公布罌粟全基因組序列,破譯罌粟中合成次生代謝產物的奧秘,不僅對開發分子植物育種工具,培育新品種大有裨益,更對工業合成中選擇性提高具有不同藥效的生物堿產量具有重大指導意義。

“我們團隊的研究宗旨與定位即,讓植物滿足醫療所需,使物種造福于人類。”葉凱如此言道。

據介紹,葉凱團隊的罌粟基因組項目研究歷時兩年多,從2015年底開始籌劃設計,2017年6月拿到所有數據,到2018年2月正式完稿,團隊采集數據后僅用8個月的時間就高效地完成了這項極具難度與挑戰的研究分析過程。葉凱團隊快速成功的秘訣在于充分利用國際化科研合作。

多年來,西安交大積極實行開放包容的人才政策,通過一系列引進和培養計劃,為青年教師搭建成長的完整階梯。2016年初,在海外學習工作十二載的葉凱毅然選擇回到祖國,西安交通大學也成立了葉凱教授領銜的第一個青年科學家工作室。

葉凱青年科學家工作室組建后,在學校雙一流學科建設項目的支持下,以“精準醫療”、“中醫藥”國家戰略發展規劃為指引,積極組建跨學科研究團隊,開展生物信息學和基因組學的前沿交叉研究,基于大數據處理和模式識別的最新理論,研究包括藥用植物基因組和精準醫療大數據處理的系統化方法,在國際國內基因組項目應用,取得了一系列國際領先的成果。

本文由 ailsa 編輯發布
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