2023年1月6日，南京中医药大学吴啟南团队和英国约克大学Benjamin R Lichman团队在Molecular Plant杂志合作在线发表了题为"A chromosome-level genome assembly reveals that a bipartite gene cluster formed via an inverted duplication controls monoterpenoid biosynthesis in Japanese catnip"的研究论文。该研究报道了唇形科植物裂叶荆芥(药材名：荆芥；别名：日本猫薄荷)的高质量基因组，破解了(-)-胡薄荷酮生物合成路径中的关键酶基因，并发现了一个包含四步胡薄荷酮生物合成路径的基因簇。揭示了胡薄荷酮生物合成路径，阐明了裂叶荆芥单萜类成分生物合成的分子机制。
doi.org/10.1016/j.molp.2023.01.004
荆芥为唇形科裂叶荆芥属裂叶荆芥Schizonepeta tenuifolia (Benth.) Briq.的地上部分。具有解表散风，透疹，消疮等功效，为临床常用中药。新型冠状病毒(COVID-19)感染者居家中医药干预指引中，治疗推荐的银翘散、荆防颗粒等均使用了荆芥。荆芥的主要药效物质为挥发油，具有较强的抗炎、抗病毒和抗氧化作用。经课题组前期研究发现荆芥挥发油主要以(-)-胡薄荷酮型的薄荷烷类单萜为主。1990年代，美国科学院院士Rodney Croteau首次破解了欧薄荷中(+)-胡薄荷酮生物合成路径，但数十年以来，我们对于(-)-胡薄荷酮生物合成的机制尚且未知。
图1 薄荷烷类单萜在荆芥和欧薄荷中的生物合成路径
本研究通过基因组测序，首次组装了裂叶荆芥染色体级别的参考基因组，结合转录分析，筛选出参与(-)-胡薄荷酮生物合成路径的关键酶基因，并且通过体外过表达和VIGS体内基因沉默完成功能验证。其中在裂叶荆芥中发现的属于Old Yellow Enzyme家族的StIPR和在薄荷中属于Short Double Reductase家族的MlIPR具有相同的催化功能(图2)。同时我们发现StIPR可以催化香芹酮生成二氢香芹酮，也完善了欧薄荷中香芹酮的下游合成路径。但两者却分属于不同的蛋白家族，说明两个物种中的这一步合成路径呈现趋同进化。
图2. StIPR候选基因的功能 A,StIPR候选基因体外酶活气相色谱图；B,VIGS-StIPR突变体中代谢物变化；C, StIPR反应机制图示
结合Hi-C组装数据，我们发现参与(-)-胡薄荷酮生物合成的8个基因均分布在6号染色体上形成双向/双边基因簇，基因簇中间有260kb间隔，且镜像排列。基于近缘植物基因组的微共线性分析，我们发现仅有LS1、LS2和其他四个物种的TPS呈现共线性关系(图3A)。欧薄荷中与薄荷烷类单萜合成相关的LS和L3OH在5号染色体上形成2个基因对，但与裂叶荆芥6号染色体的基因簇并无共线性关系。而欧薄荷中与裂叶荆芥6号染色体上的LS1和LS2有共线性关系的TPS20经系统进化分析为LS的同源基因，但功能尚未被证实(图3B,3C)。这说明，这类与薄荷烷类单萜生物合成相关的基因簇是裂叶荆芥所特有的，且欧薄荷和裂叶荆芥中LS和L3OH的基因对是独立进化的，这在趋同进化事件中较为少见。
图3. 裂叶荆芥基因簇的系统基因组学分析。A.基因簇的共线性分析；B.柠檬烯合酶的系统进化分析；C.欧薄荷中薄荷烷类单萜合成基因的基因簇
因此，我们对荆芥中薄荷烷类单萜合成相关的基因簇形成机制进行了推演。在LS和L3OH基因对出现之后，IPR基因插入在LS和L3OH基因对中间，然后经历了反向复制，随着串联复制带来的基因组扩张，最终在裂叶荆芥中形成了特有的(-)-胡薄荷酮生物合成的基因簇。（图4）
图4 裂叶荆芥和欧薄荷中基因进化示意图
通过高质量的基因组装，本研究首次发现了基因簇在裂叶荆芥薄荷烷类单萜生物合成中的作用，同时确定了欧薄荷和裂叶荆芥之间趋同进化的关系，是两种相反手性的薄荷烷类单萜合成关键基因功能解析与进化的一个重要突破。唇形科植物的次生代谢产物丰富多样，具有很高的文化、医药和经济价值，本文为植物代谢进化和物种多样性的研究提供了可参考模型，为中药药效物质基础生物合成的分子机制研究提供理论和技术支持。
南京中医药大学吴啟南教授和英国约克大学Benjamin R Lichman为该论文的通讯作者，南京中医药大学刘潺潺讲师、英国约克大学Samuel Smit、南京中医药大学博士研究生党静洁和周佩娜为论文的共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金(81973435、81903756)、南京中医药大学自然科学基金青年项目、江苏省政府基金、英国UKRI和BBSRC项目的支持。
第一作者简介：刘潺潺，南京中医药大学讲师（2018年-至今），英国约克大学访问学者。从事中药药效物质成分生物合成机制及功能基因组学研究。主持、参与国家自然科学项目4项。先后在Frontier in plant science、Pytochemistry等杂志上发表论文8篇。
