英文标题：Comparative genomics provides insights into the biogeographic and biochemical diversity of meliaceous species

发表时间：2025.03.17

发表期刊：Nature Communications

影响因子：14.7

2025年3月，中国中医科学院中药研究所王彩霞、张玉军团队与成都中医药大学陈士林院士团队在国际期刊Nature Communications在线发表了题为“Comparative genomics provides insights into the biogeographic and biochemical diversity of meliaceous species”的研究成果。该研究将印楝和苦楝的基因组提升至T2T（端粒至端粒）水平，该研究为苦楝、苦楝的物种形成，以及楝科植物苦楝素生物合成与化学多样性提供了新的见解。

贝纳基因参与该研究T2T基因组的测序、组装、注释等工作。

柠檬苦素类化合物广泛存在于楝科和芸香科植物，不仅赋予部分物种特有的苦味，还因其丰富的结构多样性、显著的抗昆虫活性及潜在的药用价值备受关注。印楝（Azadirachta indica）与苦楝（Melia azedarach）均富含柠檬苦素类化合物，但在基因组及生化层面存在显著差异。本研究基于印楝和苦楝的高质量参考基因组，结合比较基因组学分析，深入解析柠檬苦素的生物合成机制，以揭示其化学多样性和进化基础。

1. 印楝和苦楝——基因组组装与物种形成探究

该研究结合 HiFi、ONT 和 Hi-C 数据，对印楝和苦楝进行了单倍型T2T基因组组装。QV超过 60，BUSCO 评估完整性超过 99.5%，表明基因组的完整性和连续性得到了显著提升。在印楝和苦楝基因组中，重复序列分别占 32.14% 和 32.10%，共注释到 28,215 和 28,889 个基因。

虽然印楝广泛分布于非洲至美洲，但它原产于印度阿萨姆地区，而苦楝则原产于中国西南的四川省。两者地理隔离约700英里，横跨喜马拉雅-横断山脉，阻碍了两物种之间的基因流动，表明它们的形态差异可能来源于异域物种形成。

该研究进一步比较了两物种基因组，发现它们的染色体高度保守，仅有第12染色体末端有1.08 Mb倒位，且这一倒位仅出现在印楝中，表明苦楝代表了祖先型染色体，而印楝为衍生型。染色体倒位被认为是物种形成的驱动因素，它通过限制倒位区域的基因流动，最终导致物种分化。

此外，该研究计算了直系同源基因对的基因分化，分化峰值约为0.09，计算结果表明印楝和苦楝的异域物种形成大约始于1800万年前。这为青藏高原的地质演化提供了独特的生物学视角，与太平洋板块快速迁移并最终停滞的时间相契合，进而确认了两物种的异域成种模式。

印楝和苦楝基因组分析

2. 基因扩张与物种分化——印楝与苦楝中挥发物和柠檬苦素合成

研究发现，印楝和苦楝在含硫挥发物和柠檬苦素类化合物的合成途径中存在基因扩张。印楝和苦楝γ-谷氨酰转肽酶（GGT）基因家族和酰基转移酶（AT）基因家族显著扩张，GGT基因的扩张可能与这两种植物独特的挥发气味相关，此外，AT基因家族的串联扩张则可能影响柠檬苦素类化合物的多样性。

GGT 和 AT 基因的谱系特异性串联重复

3. 表征用于柠檬苦素C12-OH乙酰化的ATs

该研究探究了苦楝和印楝中C12-OH位置的乙酰化差异，筛选并在大肠杆菌中表达了苦楝和印楝的AT基因以进行功能验证。结果表明，苦楝的 MaAT-6 (MaAT8824) 和 MaAT-7 (MaAT1704) 能催化化合物1和3在 C12-OH 位置的乙酰化，生成toosendanin（2）和isotoosendanin（4），而印楝 AT 基因均无此活性，烟草验证实验进一步支持这一结论。

此外，化合物 2 和 4 仅在苦楝果实中检测到，与基因表达和酶活性实验结果一致。进化分析表明，MaAT8824和MaAT1704的C12-OH乙酰化功能可能是在苦楝和印楝分化后新产生的功能（neo-functionalization），而印楝的同源基因已失去该功能，从而导致两种植物在柠檬苦素生物合成上的差异。

鉴定催化 toosendanin/isotoosendanin 生物合成中酰化反应的 ATs

4. MaAT8824在limonoid 6 C3-OH 酰化中的活性研究

本研究分析了MaAT8824和MaAT1704的酶催化活性，发现两者均能催化limonoid结构中C12-OH和C3-OH的乙酰化，但更倾向于C12-OH的乙酰化。使用化合物5作为底物时，首次检测到化合物6，并进一步验证其可催化生成toosendanin 2，表明该酶在limonoid结构修饰中起重要作用。

苦楝AT对柠檬苦素C3-OH基团的酰化活性

通过AlphaFold2预测MaAT8824的结构，并进行动力学模拟，研究发现MaAT8824对化合物1的催化效率显著高于对化合物5和6的催化效率，底物偏好顺序为：化合物1 > 3 > 6 > 5。分子动力学模拟表明，化合物1和3的酰基碳与底物氧阴离子之间较短的距离是C12-OH乙酰化的关键。进一步的突变分析揭示，C32和H33等关键氨基酸在底物特异性中起重要作用，且MaAT8824对乙酰辅酶A具有严格的供体特异性。

MaAT8824对C12-OH基团催化偏好的结构基础

6. 关键区域驱动了AiAT0635的功能获得

在本研究中，作者通过比较MaAT8824和AiAT0635的蛋白序列，识别出了一个关键区域，该区域驱动了AiAT0635的功能获得。研究发现，MaAT8824和AiAT0635在N末端的31-37位（7个氨基酸）存在显著差异。通过将该区域从AiAT0635替换到MaAT8824，生成了AiAT0635-8824-F1突变体，能够催化化合物1生成toosendanin 2，且转化率达7.3%，超过野生型MaAT1704。进一步的突变分析表明，32-37段（SAGAVP）是关键区域，该区域的突变恢复了AiAT0635的乙酰化功能。根据分子动力学模拟分析结果显示，AiAT0635-mut中乙酰辅酶A的结合更稳定，这可能是其获得部分功能的原因。

关键区域驱动 AiAT0635 的功能获得

该研究通过高质量的单倍型T2T基因组组装，基于印楝和苦楝的比较基因组学，深入揭示了它们在生物地理和生化多样性方面的重要见解。研究识别了在柠檬苦素生物合成的关键区域，并阐明了特定酶的功能演化机制，推动了两物种在柠檬苦素合成上的差异研究，为植物化学多样性的进化机制提供了全新的视角。

参考文献：Liu J, et al. Comparative genomics provides insights into the biogeographic and biochemical diversity of meliaceous species. Nat Commun. 2025.