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三葉崖爬藤（Tetrastigma hemsleyanum）是葡萄科崖爬藤屬多年生草質藤本植物，塊根或全草入藥，也稱三葉青。《本草綱目》記載“三葉青，性味苦、辛、涼，清熱解毒、活血祛風”，現代藥理研究亦證實，其在抗病毒、抗氧化、免疫調節以及抗腫瘤等方面均有療效。目前，三葉青已被列為新“浙八味”中藥材培育品種之一，是浙江省新冠肺炎一號方“化濕宣肺合劑”的主要成分。武漢植物園東亞植物演化、保護與利用學科組邱英雄研究員團隊近日以“Chromosome-level reference genome of Tetrastigma hemsleyanum (Vitaceae) provides insights into genomic evolution and the biosynthesis of phenylpropanoids and flavonoids”為題在《The Plant Journal》發表了三葉青研究論文。該論文基于Illumina、PacBio long reads和Hi-C測序技術相結合的組裝策略獲得了三葉青高質量參考基因組，解析了其基因組進化特征；結合轉錄組和代謝組數據，闡明了苯丙烷-黃酮類代謝途徑合成基因的重復模式及其與表達量的相關性；基于群體重測序分析，解析了黃酮類代謝產物在不同譜系分化的遺傳基礎。
研究結果發現，三葉青基因組大小為~2.19Gb，是葡萄屬物種的4~5倍。基因組中73.43%為重復序列，其中長末端重復反轉座子（LTR-RTs）占基因組的69%。三葉青和葡萄屬植物同樣只經歷1次gamma全基因組復制事件，而LTR-RTs尤其是Copia和Gypsy家族在三葉青基因組擴張中發揮了主要原因。基因家族分析表明，三葉青特有基因家族和擴張基因家族主要與多種活性成分如黃酮類、萜類、芪類、脂肪酸、生物堿等合成有關，還有一些基因則參與植物的防御、響應環境脅迫以及晝夜節律調節等，這可能與三葉青具有較強的環境適應性有關。
為了全面解析三葉青的代謝物組成，研究團隊利用LC-MS 技術對三葉青的不同組織（根、莖、葉）進行檢測，共檢測到941種化合物，其中黃酮類多達148種。由于黃酮類物質是三葉青的主要有效成分，研究團隊結合基因組和轉錄組數據，通過同源比對和結構域鑒定方法解析了代謝途徑中的關鍵酶基因家族和轉錄因子，重構了三葉青的苯丙烷-黃酮類合成途徑。同時，我們發現通路中的大部分關鍵酶基因家族如PAL、CHS、CHI相比葡萄屬物種發生了顯著的擴張，擴張主要來源于串聯重復。此外，我們還發現這些重復基因存在一致性高表達的現象，可能促進了下游代謝物的合成與積累。對來自同質園中兩個譜系代表性地區（西南譜系：廣西；中東部譜系：浙江）的塊根進行了轉錄組和代謝組分析，結果顯示來自浙江的三葉青塊根含有更多的次生代謝產物如黃酮、多糖、萜類等。研究團隊進一步對來自這兩個譜系的38份樣本進行了重測序和群體基因學分析，在譜系間高分化區域內鑒定到一系列與性狀發育、響應外界刺激及苯丙烷-黃酮類合成途徑相關的基因，可能促進了東西譜系重要表型（如塊根大小、代謝產物含量）的分化。
本研究結果為探明三葉青藥用活性成分的生物合成和調控機制奠定了基礎，也為三葉青野生資源的引種、馴化和育種提供了指導。浙江大學博士后朱珊珊（現為寧波大學副研究員）、博士生張心怡和任超前為論文共同第一作者，中國科學院武漢植物園邱英雄研究員為論文通訊作者，浙大生科院傅承新教授、中科院植物所洪德元院士在項目設計與實施過程中給予了指導。研究得到浙江省十四五育種專項、浙大-杭州三葉青公司校企合作等項目的支持。
圖1 三葉青與葡萄屬物種基因組大小和重復序列占比的差異
圖2 三葉青中苯丙烷代謝通路以及編碼酶的基因在不同組織中的表達
圖3（a）苯丙烷通路中編碼酶的基因在三葉青、葡萄、河岸葡萄和擬南芥中的拷貝數；（b）PAL；（c）CHS和STS；（d）CHI系統發育分析
圖4 （a）CSE譜系根與葉的形態；（b）SW譜系根與葉的形態；（c）在CSE（ZJ）和SW（GX）譜系分別上調表達的代謝物的KEGG富集分析結果；（d）SW和CSE譜系Z-FST曼哈頓圖，藍色實線表示Z-FST >2, 紅色標注是苯丙烷通路中基因