說到葛根大家一定不陌生，野葛在美國開始被用作生態治理后來泛濫成災被列為入侵生物，泰國葛根產業及其健康功效風靡全球。最早關于葛的文獻記載出現在周代，《神農本草經》載“(葛根)主消渴，身大熱，嘔吐，諸痹，起陰氣，解諸毒”。葛根的傳統功效具有解肌退熱，生津止渴，透疹，升陽止瀉，通經活絡，解酒毒等?，F代藥理研究表明，葛根在改善心血管系統、抗氧化、降血糖、解熱、抗炎、解酒護肝、神經保護、抗骨質疏松和雌激素樣作用等方面具有較好的藥理活性。
粉葛為豆科葛屬植物，為藥食同源兩用植物，素有“亞洲人參”、“南葛北參”的美譽，廣泛種植在廣西、廣東、江西、湖南、湖北等地，其中廣西是粉葛主要種植產區，種植面積全國第一！其中梧州藤縣和平鎮是中國著名的“葛根之鄉”，藤縣葛色天香和平粉葛產業（核心）示范區被評為廣西現代特色農業(核心)四星級示范區。當前廣西粉葛產業發展仍然面臨很多亟待解決的問題，粉葛基因組的解析將為粉葛產業高質量發展提供科技支撐。
圖1 粉葛的形態特征
2022年1月19日，廣西農科院經濟作物所嚴華兵團隊聯合菲沙基因在園藝領域權威期刊Horticulture Research（IF=6.79）上發表了題為“Chromosomal-level genome and multi-omics dataset of Pueraria lobata var. thomsonii provide new insights into legume family and the isoflavone and puerarin biosynthesis pathways”的研究論文，該研究通過PacBio和Hi-C測序構建了粉葛高質量的染色體水平基因組，解析了粉葛的基因組特征，隨后利用包括基因組、轉錄組、代謝組在內的多組學技術深入解析了粉葛重要次生代謝物的生物合成機制，從而為粉葛的資源利用、遺傳育種等研究提供了新見解。
圖2 文章發表信息
鑒于粉葛雜合度較高，研究者選用了PacBio和Hi-C測序，構建的粉葛基因組大小為1.38Gb，Contig N50=598 kb，并將99.3%的序列錨定到11條染色體上，BUSCO評估基因組完整性為92.9%。通過注釋，共獲得了45270個蛋白編碼基因，其中94.4%的基因可以得到功能注釋，基因組中重復序列占比為62.7%。將粉葛與16個近緣物種（包含5個豆科植物）進行比較基因組分析，結果表明6個豆科植物共有基因家族為11204個，粉葛基因組中顯著擴張的4743個基因家族主要富集在與類黃酮、生物堿、甾醇和萜類等生物合成相關的通路中；粉葛特有基因家族為2373個，主要富集在與萜類生物合成相關的通路中；粉葛基因組中受到顯著正選擇的基因共有34個，富集在晝夜節律、同源重組、淀粉代謝和蔗糖代謝等途徑中。
圖3 粉葛的基因組特征
系統進化分析表明，粉葛與大豆親緣關系最近，兩者在20.1個百萬年前產生分化。通過Ks和4DTV分析，粉葛共經歷兩次WGD事件，一次WGD事件是大豆與粉葛共有的，發生在44.5個百萬年前；另一次WGD事件是在粉葛與大豆分化后，粉葛獨自經歷的，發生時間大致在4.8個百萬年前。
圖4 粉葛的WGD事件分析
通過對高葛根素ZG-19和低葛根素ZG-39進行轉錄組和代謝組分析，研究者檢測到了614種225種差異代謝物（DMs），1814個差異表達基因（DEG），DMs和DEG的豐富功能類別重疊，這說明它們都是與類黃酮、異黃酮和ABC轉運相關的基因或代謝物。進一步分析代謝物與基因表達的相關系數，結果表明代謝物和基因對在樣本中高度相關，60%的顯著相關性涉及上調的代謝物和下調或不變的基因，在15%的顯著相關性中，代謝物和基因表達的變化方向相同。此外，研究者在異黃酮生物合成途徑中發現了大量的DMs和DEG。這充分解析了粉葛中異黃酮的生物合成途徑。
圖5 代謝組和轉錄組揭示異黃酮生物合成途徑
通過同源基因搜索，研究者發現編碼葛根素合成途徑中關鍵酶的9個基因家族在粉葛中都有所擴張；通過分析糖基轉移酶家族中催化糖基化修飾的基因，共鑒定出104個GT基因，有13個基因與8-C-葡萄糖基轉移酶（8-C-GT）同源，其中6個與先前研究的催化大豆苷元C-糖基化為葛根素的PIUGT43基因同源；編碼大豆異黃酮合酶（IFS）的基因（CHR11G3854.1）催化著葛根素合成的中間代謝物大豆苷元的合成，被鑒定為與葛根素的合成途徑高度相關?？傊?，上述分析初步解析了粉葛中葛根素的生物合成途徑。
圖6 葛根素生物合成途徑的鑒定
綜上，該研究通過構建高質量的粉葛基因組解析了粉葛基因組的進化特征；通過多組學分析深入解析了粉葛中重要次生代謝物異黃酮、葛根素等生物合成途徑，從而為粉葛的資源利用、遺傳育種等研究提供了新見解。
廣西壯族自治區農業科學院經濟作物研究所尚小紅副研究員和菲沙基因易欣欣博士為論文的共同第一作者，廣西壯族自治區農業科學院經濟作物研究所嚴華兵研究員為論文的通訊作者。此研究受到了國家自然科學基金、廣西重點研發計劃項目、廣西科技基地與人才專項、廣西青年基金、廣西農科院青年拔尖人才等項目的支持。
廣西農業科學院經濟作物研究所嚴華兵研究員團隊近些年與華中農業大學、菲沙基因、上海大學、廣西中醫藥大學、廣西醫科大學等單位持續開展聯合攻關，在全球葛根資源收集與鑒定評價、葛屬資源分類、葛根基因組與分子生物學、粉葛和野葛品種選育、健康種苗生產、高產高效栽培等方面取得了一系列的成果。團隊到目前為止，已廣泛收集全球葛屬種質資源419份，包括野葛、粉葛、葛麻姆、大花葛、泰葛、苦葛、紅葛、須彌葛、食用葛等；通過開發葛SSR分子標記，構建了廣西葛核心種質庫；通過廣泛靶向代謝組解析葛屬葛種野葛、粉葛和葛麻姆等3個變種塊根中影響食用品質和藥用品質的代謝差異；結合表型鑒定通過葉綠體基因組研究，揭示了葛及其近緣種之間的系統發育關系；挖掘了調控葛根素合成代謝相關的結構基因和轉錄因子，并正在開展相關基因功能驗證工作；選育出適合開發葛花茶、高葛根素粉葛、無渣粉葛、藥用野葛等系列葛根新品種，并逐步建立配套種苗繁育和高效栽培技術。以上研究相關成果先后發表在Horticulture Research、Frontier in Plant Science、Molecules、植物遺傳資源學報、植物生理學報等期刊，相關研究先后得到了國家自然科學基金委、廣西科技廳等部門項目的資助。粉葛基因組文章的發表將進一步推動全世界葛屬植物的進化與分類研究，促進我國葛根產業的科技進步，發揮基礎研究源頭供給作用以進一步推動廣西地方特色優勢粉葛產業的高質量發展。
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