草果(Amomum tsao-ko)是姜科豆蔻屬重要的香料作物,也是傳統(tǒng)的中藥材。成熟的干果具有獨(dú)特的香氣和辛辣味而被人們廣泛用作香料。草果具有重要的經(jīng)濟(jì)和藥用價(jià)值，在我國(guó)云南、廣西、貴州等地被廣泛栽培，其中，云南省怒江傈僳族自治州依托得天獨(dú)厚的自然資源和生態(tài)環(huán)境推廣種植草果，據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年草果的種植面積已達(dá)111.4萬(wàn)畝，怒江州已是全國(guó)草果的核心產(chǎn)區(qū)，也是實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)厝罕姽餐辉５闹匾?jīng)濟(jì)作物。由于草果分子育種技術(shù)尚處在基礎(chǔ)研究階段,獨(dú)特香氣形成的生物學(xué)機(jī)制尚未清楚，草果基因組及相應(yīng)的香氣合成分子機(jī)理研究對(duì)后續(xù)草果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
近日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Horticulture Research在線發(fā)表了我校聯(lián)合怒江綠色香料產(chǎn)業(yè)研究院、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳基因組研究所、廣東藥科大學(xué)等8家單位完成的題為“Chromosome-level genome assembly of Amomum tsao-ko provides insights into the biosynthesis of flavor compounds”的研究論文。該研究組裝了草果的染色體級(jí)別基因組，揭示了草果中特殊的香氣和辣味的物質(zhì)在不同組織部位、果實(shí)不同成熟時(shí)期的含量、調(diào)控基因和合成途徑。
（1）通過(guò)高深度的三代測(cè)序(ONT)技術(shù)（100×深度）獲得了202g測(cè)序數(shù)據(jù)，使用NECAT和Racon軟件對(duì)基因組進(jìn)行組裝以及拋光，獲得了2.08Gb大小的contig級(jí)別基因組，其中N50= 4.7Mb，隨后使用Hi-C數(shù)據(jù)進(jìn)行染色體掛載(95.2%掛載率)最終得到草果染色體級(jí)別的參考基因組。比較基因組分析表明，草果和姜于在約92百萬(wàn)年前發(fā)生了分化，開(kāi)始了豆蔻屬的進(jìn)化過(guò)程。
（2）文章在草果基因組中鑒定出49個(gè)TPS基因，與其它5個(gè)物種基因組中TPS基因的系統(tǒng)發(fā)育分析的結(jié)果表明：草果基因組中大部分TPS歸屬于TPS-a/b兩個(gè)亞家族，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了草果中4個(gè)沒(méi)有明顯聚集于任何TPS亞家族的TPS基因，它們的產(chǎn)生可能由于物種分化后的基因復(fù)制時(shí)間產(chǎn)生。草果在染色體結(jié)構(gòu)上，不同染色體的長(zhǎng)度有著比較明顯的差異，其中1號(hào)染色體長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，其中63%的TPS基因聚集在一號(hào)染色體上。
（3）茚醛類化合物是草果特有辛辣風(fēng)味的主要來(lái)源，其在植物中的合成過(guò)程尚未明確。文章對(duì)草果不同成熟期的果實(shí)與不同部位進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組和代謝組學(xué)分析，通過(guò)轉(zhuǎn)錄組與代謝組關(guān)聯(lián)分析，結(jié)合已有文獻(xiàn)對(duì)草果TPS合成通路進(jìn)行解析，提出了草果中辛辣物質(zhì)茚醛類化合物可能的合成過(guò)程。在草果基因組獲得了與茚醛類化合物合成高度相關(guān)的12個(gè)候選基因。作者進(jìn)一步通過(guò)對(duì)39份草果群體進(jìn)行重測(cè)序及茚醛代謝物測(cè)定，使用mGWAS方法獲得了一個(gè)關(guān)鍵候選基因(該基因功能為：香葉基香葉酰基轉(zhuǎn)移酶活性)。這些成果為草果辛辣味合成研究、草果品質(zhì)質(zhì)量及育種奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
本研究得到了怒江州科技計(jì)劃扶貧項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目的資助。我校資源環(huán)境學(xué)院青年教師黎平博士、2019級(jí)博士生白根祥、2020級(jí)碩士研究生龍俊儒，怒江綠色香料產(chǎn)業(yè)研究院何江斌，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳基因組研究所劉博副研究員為本文共同第一作者；我校資源環(huán)境學(xué)院顏健教授、怒江綠色香料產(chǎn)業(yè)研究院胡劍研究員、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳基因組研究所錢(qián)萬(wàn)強(qiáng)研究員、廣東藥科大學(xué)楊全教授、南方醫(yī)科大學(xué)孫麗榮副研究員為論文的共同通訊作者。
文圖/資源環(huán)境學(xué)院
