PNAS解密煙草尼古丁練成之謎

不是化石生物，沒有稀有屬性，就是這麼熟悉卻不失神秘，我就任性的複製變換，帶給你一口又一口戒不掉的憂桑與殘喘~

煙草基因組登PNAS啦~

尼古丁，人類煙癮反應最主要的生物鹼，是煙草主動防禦植食動物的一種神經毒素。然而，尼古丁合成通路的進化研究尚未被揭示。研究人員測序組裝兩個野生煙草基因組，Nicotiana attenuate (2.5 Gb) 和 Nicotiana obtusifolia (1.5 Gb)，這兩種野生煙草是自然狀態下研究適應性很好的生物模型。研究發現在茄科發生全基因組三倍化事件之後，煙草基因組整套的轉座因子發生了擴張，促進了發生複製的基因的表達多樣性，從而促使取食誘導信號和防禦信號的形成，這就包括尼古丁合成通路。這種根部合成尼古丁的生物合成機制，來源於兩個古老的初級代謝通路（聚胺和輔酶通路）的逐步複製。多胺通路的複製事件是茄屬植物共有的，能夠生成多胺衍生的烷類生物鹼，與此相比，NAD通路的複製具有種系特異性，發生複製的茄科特有乙烯應答因子在植物根部特異性表達，能夠激活所有尼古丁合成通路基因的表達，因此煙草才能生成尼古丁。由轉座子衍生而來的轉錄因子結合位點，為尼古丁合成通路基因的共同表達和代謝通量的調節做出了巨大的貢獻。綜上，這些結果都為TEs和複製事件促進了有利於植物生存的關鍵代謝新通路的形成。

下面就跟小編來詳細的解讀下這篇文章。

基因組組裝注釋

N. attenuata基因組採用的是30× Illumina short reads、4.5× 454 reads 和10× PacBio single-molecule long reads，組裝得到2.37 Gb基因組，並通過50×光學圖譜和高密度遺傳圖譜將基因組組裝到染色體水平，12條連鎖群組裝長度為825.8 Mb，contig N50長度為90.4 kb，scaffold N50長度為524.5 kb。同樣的，採用50× Illumina sort reads組裝得到N. obtusifolia基因組，contig N50長度為59.5 kb，scaffold N50長度為134.1 kb。對N. attenuata基因組進行基因預測，使用AUGUSTUS和MAKER2基因預測流程預測得到33,449個基因，其中71%具有RNA-seq reads支持，並且12,617個基因與擬南芥同源，18,176個基因與番茄基因同源。

為了研究煙草的進化歷史，通過與11個已發表物種進行系統發生分析，證實煙草與茄科物種（除溝酸漿屬）共同經歷了一次全基因組三倍化（WGT）事件。兩種野生煙草基因組中至少有3,499對基因來源於WGT事件並在這兩個物種中保留了下來，4dTV和TD分析表明這些基因中53.7%至少在一種組織中表現了表達變異，這就說明這些WGT事件衍生出來的重複基因形成了新的功能或者亞功能。

轉座子擴張

根據「genomic shock」假說，多倍化事件的發生總是伴隨著TE活動的爆發。野生煙草基因組中的LTRs明顯高於其它茄科成員，N. attenuata高達81.0%，N. obtusifolia高達64.8%。TE插入歷史分析發現，所有煙草的反轉座子Gypsy在近期都發生過擴張，其中N. obtusifolia基因組較小，相比與其它煙草Gypsy拷貝數較低。最新研究指出辣椒在近期也經歷過一次大規模的Gypsy擴張，時間推算是發生在WGT事件之後，稍微早於煙草的Gypsy擴張，這就說明茄科不同物種的Gypsy擴張是獨立發生的。

除此之外，MITEs在進化中也有舉足輕重的作用。由於MITEs的位置長緊鄰基因並且轉錄活躍，所以被認為能夠促進基因調控的演化。N. attenuata基因組中共注釋出13個MITE家族，其中幾個家族在煙草中發生了擴張。其中茄科特有的亞家族DTT-NIC1是最豐富的，多富集於N. attenuata基因上游1 kb區域內，並且這些基因多為食草動物誘導的早期防禦相關基因，這可能與引入防禦相關基因的WRKY轉錄因子結合位點有關。

新陳代謝和信號通路網路構建的創新可能是複製事件後組織水平上基因表達模式變化造成的。通過對一次複製事件後的基因對表達變化及DTT-NIC1插入作用的分析發現，DTT-NIC1家族插入與基因表達變異和組織特異性顯著相關，這就說明TE家族是煙草全基因組複製事件後基因調控變化的決定性因素。

尼古丁有機合成的演變

為了更好的理解基因複製和TE插入在煙草適應性進化歷程中的地位，研究人員重新構建了尼古丁生物合成通路的進化歷史。尼古丁的合成局限於煙草的根部，包括吡啶環和吡咯烷環的合成，並通過A622蛋白和BBL作用最終合成尼古丁。分析發現，吡啶環和吡咯烷環的合成來源於植物兩大主要的代謝通路：煙醯胺腺嘌呤二核苷酸輔因子和多胺代謝通路。然而，這兩種代謝通路的複製事件和模式並不相同，從而影響煙草生物鹼代謝通路基因的差異。基因複製最終導致形成煙草、茄屬和矮牽牛花共有的生物鹼合成通路，該通路具有從茄科WGT事件或者更早的複製事件獲得特有的基因。ODC2和PMT從祖先ODC1和SPDS的複製分化發生在WGT事件之前，然而ODC2保留這祖先的酶功能，PMT卻需要甲基化腐胺通過新的反應來合成N-methylputrescine。PMT所需酶MPO就是全基因組多倍化過程中從DAO複製而來的，並且兩個拷貝均保留了下來，以滿足生物鹼合成的需求。這說明ODC、PMT和MPO都支持ornithine-derived N-methyl-Δ1-pyrrolinium起源與祖先的說法。與此相比，NAD通路基因的複製事件中，吡啶環合成所需AO和QPT是煙草特有的且來源於局部複製。BBLs被認為是尼古丁合成通路後期氧化反應的關鍵，BBLs具有明顯的根表達特異性，可能是基因複製後獲得的新功能。

N. attenuata不同組織的轉錄組分析表明，尼古丁合成相關基因都在根中特異性表達，並且在相應食草動物的茉莉酸信號通路中表達上調。實驗已經證實乙烯響應因子亞家族IX和MYC2在上調的尼古丁基因中具有重要作用。MYC2的複製發生於茄科的全基因組多倍化和片段複製，其中有兩個拷貝在煙草和幾種茄科植物中保留了下來。ERF IX cluster是WGT事件後煙草、茄屬、辣椒和矮牽牛花共有的祖先串聯複製，有趣的是，ERF189屬於該串聯複製。在煙草和茄屬分開後，ERF189在不同的物種中獨立發生複製，但是根特異表達的該基因拷貝只在二倍體煙草中存在。由於ERF189在所有尼古丁合成相關基因的表達調控具有重要的地位，也許在煙草的祖先物種中ERF189的根特意表達獲取物就在調控根部尼古丁合成基因表達中起重要作用。

MYC2和ERF189對尼古丁合成通路基因的調控有賴於基因啟動子區的轉錄因子結合位點GCC和G-box。尼古丁合成相關基因上游2 kb區域比它們祖先基因拷貝含有更多的GCC和G-box元件，這符合基因啟動子區的GCC和G-box元件促進高通量尼古丁合成代謝所需轉錄調控形成的假說。

植物能夠產生結構多樣的特有代謝產物，很多被應用於藥物開發或者病蟲害防治，然而也有一些深入到了我們日常的生活中，如尼古丁。事實上，這些特有代謝產物對於植物對生物和非生物脅迫的適應性起著至關重要的作用。通過對兩個高質量野生煙草基因組的分析，為全基因組結構變異分析和尼古丁合成機制的演化提供了深入的基因組學研究。該研究闡明特有代謝物合成通路的形成和複雜適應性的進化歷程中，基因複製和專做因子插入之間的互作具有重要的作用。

參考文獻

Xu S, Brockm?ller T, Navarroquezada A, et al. Wild tobacco genomes reveal the evolution of nicotine biosynthesis[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2017.

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