花椒中麻味素和花椒素的生物合成及無融合生殖的機制

　　花椒隸屬于蕓香科 (Rutaceae)，是一類受亞洲人普遍喜愛的香料植物。花椒在中國的四川省尤其受到歡迎，因此也被稱為 “Sichuan Pepper”。早在2000多年前，中國人已經開始種植和食用花椒。如今，兩種花椒屬植物—花椒(Zanthoxylum bungeanum Maxim.) 和竹葉花椒 (Zanthoxylum armatum DC.) 在中國廣泛栽培，種植面積超過2500萬畝，經濟價值超過20億美元。

　　花椒可用于食用和藥用的成分主要來自其干燥后的果皮。花椒果皮中的一種生物堿—α山椒素 (hydroxy-α-sanshool)，可在人的嘴唇中產生獨特的刺痛感，也就是俗稱的“麻味”，又稱為麻味素。此外，花椒中的另一種生物堿—wgx-50 (或稱gx-50)，又稱為花椒素，可用作減少皺紋、緩解疼痛和體外、誘導肝癌細胞凋亡，并且是一種重要的治療阿茲海默癥的候選藥物。花椒屬植物普遍具有一個重要的生物學特性—無融合生殖，即雌性植株不需要經過受精，直接由珠心細胞發育成胚，進而繁殖后代。目前，花椒中麻味素和花椒素的生物合成通路及其無融合生殖的分子機制尚不清楚。

　　近期，四川大學劉建全團隊在Molecular Ecology Resources雜志發表了題為The chromosome-level genome assembly of Sichuan pepper provides insights into apomixis, drought tolerance, and alkaloid biosynthesis的研究成果，結合基因組、轉錄組和代謝組技術對花椒屬植物的兩種生物堿的生物合成、無融合生殖及其抗旱特性開展了深入研究。

　　研究團隊通過PacBio和HiC技術構建了染色體級別的竹葉花椒基因組，基因組序列長達2.63 Gb，其中87.4%的序列掛載到了33條染色體上。通過基因組注釋發現該基因組中重復序列比例超過了80%，蛋白編碼基因數量為55355個。系統發育基因組學分析結果表明竹葉花椒與甜橙的親緣關系最近，二者大約在32.9個百萬年前分化。進一步的進化分析發現竹葉花椒大約在26.6個百萬年前發生了一次全基因組加倍事件，隨后伴隨著全長逆轉錄轉座子(LTR)的大量擴張，這也導致了竹葉花椒基因組大小增加到甜橙的8.5倍。有趣的是，LTR的插入也導致一些與缺水響應相關的基因表達量上調，可能與花椒屬植物抗旱性的增強有關。

　　研究團隊進一步通過基因家族分析和表達量分析鑒定出了與花椒屬無融合生殖特性相關的候選基因“Zardc07021”，并以擬南芥為載體進行該基因的過表達，得到了五棵轉基因株系。這些株系一致表現出明顯的侏儒性狀，并出現分枝數量增加、花器官發育異常、果莢大量敗育、花尺寸縮小以及雄蕊發育異常。進一步的花粉活性染色和花粉離體萌發實驗結果表明，轉基因株系的花粉活力和萌發率均顯著下降。這些結果表明“Zardc07021”基因可能在花椒屬植物的無融合生殖過程中扮演著重要的角色。

　　為了研究竹葉花椒基因組中與麻味素和花椒素（wgx-50）生物合成相關的基因，研究人員還對包括葉、果皮、花、皮刺在內竹葉花椒的9個不同組織進行了轉錄組和代謝組測序。通過高效液相色譜法 (HPLC) 發現果皮是它們含量最高的組織。結合共表達網絡分析(weighted gene co-expression network analysis, WGCNA)，系統鑒定了與麻味素和花椒素生物合成相關的所有候選基因和合成通路。值得注意的是，竹葉花椒基因組中幾乎所有候選基因都相對于甜橙發生了顯著擴張。例如，負責將亮氨酸或纈氨酸轉化成胺前體的支鏈氨基酸脫羧酶 (branched-chain amino acid decarboxylase, BCAD) 在竹葉花椒基因組中有116個拷貝，而在甜橙基因組中只有62個拷貝。這些關鍵基因家族的顯著擴張也可能導致了花椒中這兩個新生物堿的產生或相關生物堿含量的顯著增加。

　　四川大學生命科學學院已畢業博士、成都大學特聘副研究員王鳴程為該文第一作者，博士生同少飛為共同第一作者，劉建全教授、席楨翔教授、馬濤教授為共同通訊作者。該研究受到了國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金等項目的資助。