近日，我院韩忠明、杨利民教授团队在国际知名学术期刊Horticulture Research（中科院1区TOP期刊，影响因子8.7）上发表题为“Genomic, transcriptomic, and metabolomic analyses provide insights into the evolution and development of a medicinal plant Saposhnikovia divaricata (Apiaceae)”的高水平研究性论文。该研究通过PacBio和Hi-C测序，构建了防风的染色体水平基因组，通过比较基因组分析揭示了全基因组复制事件对防风基因组的影响，并结合转录组数据、代谢组数据分析了抽薹前后野生防风和栽培防风中黄酮类、植物激素、药理活性成分的变化，为了解伞形科植物进化和遗传改良提供了宝贵资源。农学院王真慧副教授、中药材学院研究生刘晓和崔祎为文章的共同作者，韩忠明和杨利民教授为通讯作者。

论文DOI：https://doi.org/10.1093/hr/uhae105

一、研究背景

防风（Saposhnikovia divaricata）为伞形科防风属多年生草本植物以未抽薹的根入药，是我国常用传统中药材，具有解表发汗、祛风除湿作用，广泛分布于中国、蒙古、俄罗斯等地。防风中化学成分主要为色原酮、香豆素等活性成分。色原酮主要通过类黄酮生物合成途径合成，黄酮类化合物是重要的次生代谢产物。本研究基于PacBio Sequel Ⅱ测序平台组装了2.07 Gb和N50支架长度为227.67 Mb的高质量防风染色体水平基因组。鉴定出的基因总数为 42948个，其中 42456个基因进行了功能注释。总共85.07%的基因组由重复序列组成，其中主要由长末端重复（LTR）组成，占基因组序列的73.7%。结合转录和代谢分析，揭示了抽薹与未抽薹防风的药效成分中黄酮类化合物和植物激素的信息。该研究为深入了解野生和栽培防风表型的进化及防风遗传改良奠定了基础。

二、 主要研究结果

1. 防风基因组的组装与注释

通过PacBio和Hi-C测序，研究团队构建了首个高质量的防风基因组，其基因组大小为1899.11 Mb，Contig N50 =117 Mb，并将基因组序列锚定到8条染色体上，BUSCO评估基因组完整性为94.70%。结合多种方法进行注释，研究团队在防风基因组中预测得到42984个蛋白编码基因，重复序列占比高达83.47%。

表1 防风基因组组装统计

2. 比较基因组分析揭示防风表型适应的基础

研究团队选择14个物种与防风进行比较基因组学分析。基因家族聚类分析表明防风、胡萝卜、香菜、莴苣基因组中普遍存在11777个基因，防风存在1305个特有基因。系统进化发育分析显示防风与香菜被聚类为同一分支，这两个物种在大约840万年前与共同祖先分化。基因家族扩张收缩分析显示防风中有1131个基因家族收缩和1829个基因家族扩增，与香菜最接近（864个基因家族收缩，2269个基因家族扩增）。在物种形成过程中，基因家族的收缩扩张与表型适应密切相关。KEGG富集分析表明，防风基因组中收缩基因家族主要与植物激素信号转导、谷胱甘肽代谢和氧化磷酸化作用有关，扩张基因家族主要参与内质网的蛋白质加工、类黄酮生物合成和蛋白质输出。通过Ks分析和4DTv分析确定防风经历了一次全基因组重复（WGD）事件，导致防风基因组大小变化。

图1 防风基因组比较分析

3. 转录组和代谢组分析揭示防风抽薹前后的差异

研究团队利用转录组学和代谢组学技术对野生防风和栽培防风在抽薹与未抽薹期间的差异表达基因、差异代谢物进行了研究。在未抽薹期间，与栽培防风相比，野生防风中有4197个差异表达基因（DEGs），其中2342个基因表达上调，1855个基因表达下调。抽薹后，鉴定出4950个DEGs，其中包括2749个上调基因、2201个下调基因。GO富集分析显示，未抽薹期间和抽薹后的DEGs主要富集于“细胞解剖实体”“代谢过程”“催化活性”“刺激响应”和“信号传导”。KEGG分析表明，未抽薹期间的DEGs主要富集在次生代谢物的生物合成（BSM）、代谢途径、植物激素信号转导（PHST），抽薹后的DEGs主要富集在BSM、植物−病原体相互作用、PHST和苯丙素生物合成。

在未抽薹期间的野生防风和栽培防风中检测到1508种代谢物，其中224种是差异代谢物。这些差异代谢物分为40个类别，主要为氨基酸及其衍生物、萜类、黄酮类化合物等。同样，在抽薹后的野生防风和栽培防风中检测到1509种代谢物，其中298种是差异代谢物，分为40个类别，主要为氨基酸及衍生物、萜类、黄酮类化合物、色原酮、香豆素、有机酸等。KEGG分析表明，DMs在不同的途径中富集。未抽薹期间的野生防风和栽培防风的DMs主要涉及辅助因子的生物合成、次生代谢产物的生物合成、淀粉和蔗糖的代谢以及亚油酸的代谢，抽薹后的DMs则参与次生代谢产物的生物合成、氨基酸代谢、ABC转运蛋白和氨基酰-tRNA的生物合成。以上结果表明野生防风和栽培防风在抽薹前后存在一定差异。

未抽薹前的栽培防风中的色酮类物质含量高于野生防风，除香豆素类的17个DMs和查尔酮的2个DMs外，其他香豆素类差异代谢物含量均高于野生防风，尤其是花椒毒素和香豆雌酚。同时，筛选出12个类黄酮DMs，其中3个在野生防风中上调，9个在栽培防风中上调。两个品种间的升麻素含量无显著差异。以上结果表明，栽培防风和野生防风中均含有色原酮、香豆素、黄酮类物质。进一步分析对抽薹后的栽培防风和野生防风中的药理活性成分发现栽培防风和野生防风中的色原酮、香豆素、黄酮类物质含量之间存在差异。因此，栽培防风和野生防风活性成分积累的差异，有助于深入了解这些物种的不同特性。

图2 防风抽薹前后的转录组分析

栽培防风和野生防风中检测到 1508 个代谢物，其中 224 个不同的代谢物被鉴定为差异丰富，这些已知的差异代谢物属于 40 个类，其中大多数是氨基酸及其衍生物、萜类化合物、黄酮类化合物、生物碱、酚酸、核苷酸及其衍生物、色酮、香豆素等。同样，在抽薹的栽培和野生防风中检测到 1509 种代谢物，其中鉴定出 298 种不同的代谢物，其中大多数属于氨基酸及其衍生物，萜类化合物、黄酮类化合物、酚酸、核苷酸及其衍生物、脂质、色酮、香豆素、有机酸等。

根据KEGG通路分析，差异代谢物富集在不同通路中。在栽培和野生防风（未抽薹）中发现了差异代谢物，它们参与代谢途径生物合成、次生代谢产物、植物激素信号转导、异黄酮生物合成以及黄酮和黄酮醇生物合成。在栽培 和野生防风（抽薹）中鉴定出的差异代谢物涉及次生代谢物和氨基酸、ABC 转运蛋白和类黄酮生物合成。

图3 野生和栽培防风代谢组分析

作者简介：

韩忠明，教授，博士生导师，现任中药材学院副院长，吉林省“D”类人才，吉林省首批企业“科创专员”，澳大利亚西澳大学高级访问学者。兼任中国种子协会中药材种业分会副会长，中国生态学会中药资源生态专业委员会委员、中国中药协会中药生态农业专业委员会委员、中国园艺学会会员，主要从事中药栽培及质量评价研究，主持国家重点研发课题、国家自然科学基金和省部级项目20余项，获吉林省优秀博士论文奖1项、主持或参加项目获省科技进步奖一、二、三等4项，省自然科学学术成果奖3项，主编国家级规划教材1部，副主编国家级规划教材1部，出版学术专著2部，参编学术专著5部；制定地方标准2项；授权国家发明专利16件，以第一作者/通讯作者发表SCI、CSCD论文80余篇。

杨利民，博士，二级教授，博士生导师，国家中药材产业技术体系岗位科学家，主要从事中药资源生态学研究，在药用植物次生代谢分子生态机制、药材质量形成与生态调控、药用植物根际土壤微生态与连作障碍生态修复等方面做了较多工作。省部共建生态恢复与生态系统管理国家重点实验室培育基地副主任。担任吉林省党外知识分子联谊会副会长，政协长春市委员会常委。兼任世界中医药学会联合会药用植物资源专委会副会长，世界自然保护联盟物种生存委员会植物专家组成员，中国中药协会人参属药用植物专委会副主任委员，吉林省中药资源专家委员会副主任，吉林省生态学会、植物学会副理事长等学术职务。主持国家重点研发计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金、吉林省重大项目等科研项目30余项。获国家科技进步二等奖1项，省科技进步一等奖4项、二等奖3项。发表论文200余篇，其中SCI收录40余篇。获中国授权发明专利17件。主编《吉林药用植物志》、《吉林省中药材规范化种植养殖关键技术》和《人参栽培土壤微生物多样性与资源开发》等学术著作。主编国家级规划教材《植物资源学》获省优秀教材一等奖，部级规划教材《野生植物资源学》获全国农林院校优秀教材奖。获省优秀教学成果三等奖1项，校优秀教学成果奖4项。为本科主讲《药用植物生态学》和《中药资源学》，硕士主讲《高级生态学》和《中药资源学》，博士主讲《中药资源学专论》等课程。获得中华人民共和国建国70周年纪念章。多次被国家科学技术部、国家科学技术奖励办公室和国家自然科学基金委员会邀请担任国家级重大科技成果和科研项目的评审专家。

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