英文标题：Telomere-to-Telomere Genome Assembly of Yellow-Fruited Allotetraploid American Ginseng (Panax quinquefolius L.) Provides Insights into Flavonoid Biosynthesis

发表期刊：Horticulture Research (IF=8.5)

发表时间：2025.7

2025年7月，吉林农业大学中药材学院王英平教授团队和南京农业大学园艺学院熊爱生教授团队联合在园艺学顶刊Horticulture Research在线发表了题为“Telomere-to-Telomere Genome Assembly of Yellow-Fruited Allotetraploid American Ginseng (Panax quinquefolius L.) Provides Insights into Flavonoid Biosynthesis”的研究论文。该研究成功组装了首个黄果西洋参端粒到端粒（T2T）的完整基因组，并结合转录组与代谢组等多组学分析，系统解析了其黄酮类化合物的生物合成路径，为深入揭示西洋参的功能特性与分子机制提供了重要参考。

贝纳基因参与了该项目黄果西洋参基因组的测序、组装、注释及比较基因组分析等工作。

研究背景

西洋参（Panax quinquefolius L.）是一种五加科的多年生草本植物，因其富含多种具有药理活性的成分而具有重要的药用价值。随着多组学技术的快速发展，西洋参中人参皂苷合成相关的基因已被逐步解析，但黄酮类化合物的生物合成及其遗传机制尚未被阐明。高质量基因组对于深入研究西洋参的代谢生物学具有重要意义，而目前已报道的西洋参基因组仍存在大量组装间隙，限制了对其物质基础形成机制的研究。

本研究通过对黄果西洋参端粒到端粒（T2T）的完整基因组进行全面解析，阐明了该物种的基因组进化历程，同时通过与其它组学技术进行联合分析，揭示了西洋参黄酮类物质合成和果实颜色变化的遗传调控机制，为西洋参的遗传改良和功能研究奠定了基础。

研究结果

1. 西洋参T2T基因组组装与注释

本研究通过PacBio HiFi，ONT超长，Illumina，Hi-C测序技术对黄果西洋参基因组进行测序组装，组装的基因组大小为4.33Gb，Scaffold N50为185.37Mb，BUSCO完整度为98%。所有序列均挂载到24条染色体上，48个端粒和24个着丝粒也都得到完整解析，实现了端粒到端粒（T2T）级组装。在该基因组中共鉴定到67741个蛋白编码基因，这些基因在染色体上分布不均匀，染色体末端基因密度更高。此外，基因组重复序列占比高达88.94%，其中LTR元件最为丰富，占83.21%。根据叶绿体和核基因分析的结果，该物种被鉴定为异源四倍体，k-mer分析的结果也进一步支持了这一结论。

图1 西洋参T2T完整基因组组装及基因组特征

表1 西洋参基因组组装数据

2. 西洋参T2T基因组结构变异（SVs）和存在-缺失变异（PAVs）鉴定

西洋参T2T基因组与之前的基因组版本相比含有更丰富的SVs，包括倒位，易位，重复等，其中重复变异最多，占所有SVs的95%，主要集中在端粒区域。功能富集分析的结果表明，SVs相关的基因主要富集于转录后调控和蛋白合成相关的通路，PAVs相关的基因则主要参与核心的转录调控和广泛的代谢通路。

图2 西洋参T2T基因组与旧版本基因组的结构比较分析

3. 西洋参的系统发育和进化分析

本研究选取了11个植物基因组与西洋参T2T基因组进行系统发育分析，被子植物水稻作为外群，共鉴定出69321个基因家族，其中7973个基因家族（214285个基因）是所有物种共有的，4377个基因家族（5053个基因）是西洋参特有的。与最近的共同祖先（MRCA）相比，西洋参中有3508个扩张的基因家族（15004个基因）和528个收缩的基因家族（1062个基因）。KEGG功能富集分析的结果表明，西洋参特有的基因家族与黄酮类化合物的生物合成相关。基于单拷贝基因家族构建的系统发育树显示，西洋参约在2300万年前从其它五加科人参属的物种中分化出来。

由于西洋参是异源四倍体植物，本研究采用基于19-Kmer的聚类方法将其染色体分为两个亚基因组（亚基因组A和亚基因组B），两个亚基因组既有共有也有特有的扩张和收缩的基因家族。全基因组复制（WGD）分析的结果表明，亚基因组A和B都经历了两次WGD事件，两个亚基因组的分化发生在近期。共线性分析的结果表明，亚基因组A和B的一些同源染色体对之间存在许多连续共线区域，也有一些同源染色体对之间共线性比较弱，存在许多变异。

图3 西洋参比较基因组分析

4. 西洋参黄酮类物质生物合成路径分析

本研究对两种西洋参（黄果ZN和红果JY）的根、茎、叶和果实中黄酮类代谢物含量和相关基因表达进行了检测，共鉴定到201种黄酮类代谢物，分为9个大类，包括黄酮醇、黄酮、花青素等，其中黄酮醇在两个品种西洋参中含量最高，种类也最多。黄酮类物种在两个品种西洋参中均表现出组织特异性，在叶片中含量最高，在根中含量最低，两个品种的同种组织中黄酮类化合物的含量也呈现出不同程度的差异。

图4 西洋参不同组织中黄酮类代谢物的比较

基于西洋参T2T基因组，本研究共鉴定到140个与黄酮类物质生物合成相关的候选基因，大多数苯丙烷生物合成基因（如PqPALs，Pq4CLs，PqC4Hs）主要在果实中表达，还有一些基因（如PqPAL16，Pq4CL15，Pq4CL16，Pq4CL17，PqC4H2，PqC4H4）在两个品种西洋参中表现出不同的组织特异性表达模式。这些基因在ZN和JY组织中的不同表达模式可能是造成两个品种西洋参黄酮类化合物积累差异的原因。

图5 黄酮类物质生物合成相关的基因

5. 西洋参果实颜色调控的机制研究

通过KEGG功能富集分析，本研究共鉴定到22个与西洋参果实发育相关的差异黄酮代谢物，其中花青素的积累在两个品种西洋参中差异最为显著。在所有发育阶段，JY果实中花青素的总含量都显著高于ZN果实。

本研究进一步对JY和ZN不同果实发育阶段的差异表达基因（DEGs）进行了WGCNA分析，在JY中共鉴定到9个显著的共表达模块，其中绿色模块与花青素代谢物相关性最高，该模块共鉴定到8个花青素合成的关键基因，其中PqDFR2基因在JY和ZN中的表达模式有显著差异。在JY果实发育过程中，PqDFR2基因的表达水平持续上升，但是在ZN果实中，该基因在转色期表达水平增加，在成熟期表达水平降低。

二氢黄酮醇-4-还原酶（DFR）是植物花青素合成路径中的一个关键酶，它可以催化花青素前体的生成，花青素前体在花青素合酶（ANS）的作用下生成花青素。代谢组的数据显示，JY果实在发育过程中，花青素前体和花青素的含量持续增加，但是ZN果实中这些化合物的含量都较低，结合转录组的分析结果，作者推断两个品种西洋参果实中DFR基因的差异表达可能也是导致果实颜色差异的重要原因。

图6 两个品种西洋参果实发育过程中花青素含量及相关基因表达分析

总结

本研究成功组装了黄果异源四倍体西洋参端粒到端粒的完整基因组，准确解析了两套亚基因组的信息，为西洋参的多组学研究提供了高质量的参考，与近缘物种的系统发育分析也阐明了西洋参的进化地位。同时，本研究结合转录组及代谢组的数据，详细解析了西洋参黄酮类物质的生物合成途径，并发现PqDFR和PqANS基因在西洋参果实花青素积累中发挥重要作用，可能是果实转色的关键因子，为西洋参果实颜色调控提供了新见解。

参考文献

Lei X J, Zhao J, Rong J B, et al. Telomere-to-Telomere Genome Assembly of Yellow-Fruited Allotetraploid American Ginseng (Panax quinquefolius L.) Provides Insights into Flavonoid Biosynthesis[J]. Horticulture Research, 2025: uhaf198.