罂粟的“罪恶”之源 | 文章解读
罂粟（英文：Opium Poppy，学名：Papaver somniferum），其花艳丽至极，也被称为“罪恶之花”，大众熟知的是罂粟果实是毒品吗啡、鸦片等的来源；但另一方面，从罂粟中提取的吗啡类生物碱是强力止痛药物，而罂粟中的那可丁成分具有止咳和抗癌功效。
对罂粟基因组的研究，揭示其止疼、镇咳的分子学基础，能为罂粟的新品种培育、药用成份合成提供理论指导，进而降低麻醉药的生产成本，缓解麻醉药的短缺问题。发表在《Science》上的高分文章为我们打开了新的思路。
文献ID
文章题目：《The opium poppy genome and morphinan production》
期刊名称：《Science》
发表时间：2018
影响因子：41.058
主要研究团队：西安交通大学、英国约克大学
原文链接：http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/29/science.aat4096
研究亮点
1. 成功破译出罂粟基因组，首次在国际上完成了罂粟全基因组测序及高质量组装分析。
2. 系统研究了罂粟的进化历史，为揭示罂粟科乃至早期双子叶植物进化历史奠定了重要基础。
3. 首次发现罂粟合成止咳那可丁和镇痛吗啡类生物碱的15个基因在11号染色体上形成超级基因簇，破译出了那可丁和吗啡的生物合成通路，对罂粟的分子育种和生物碱药物合成具有重大指导意义。
研究方法
1. 基因组测序：Paired-End/Mate-Paired（214x），10X Genomic linked reads（40x），PacBio（66.8x），并对BAC进行二、三代测序。
2. 组装：NRgene 10X、 PacBio Falcon。
3. 重复序列注释：RepeatModeler (version open-1.0.8)，Repbase (46)。
4. 蛋白质编码基因预测和功能注释。
基因结构预测：MAKER pipeline(version 2.31.8)、AUGUSTUS (version 3.3)，SNAP (version 2006-07-28)、 GeneMark_ES(version 3.48)；
功能注释：InterProScan(version 5.25-64.0)、Blast2GO (version 4.1)。
5. 罂粟进化史和全基因组复制研究：通过罂粟和葡萄、拟南芥、阿拉伯咖啡、莲和耧斗菜等双子叶植物进行比较基因组分析，系统研究罂粟的进化历史；通过染色体共线性（synteny）和Ks（KaKs_Calculator v2.0）分析来识别基因组加倍事件。
6. 转录组：针对7种不同的组织（叶、花瓣、雄蕊、蒴果、茎、细根、根茎），进行转录组测序。
转录组组装：Trinity（v2.1.1）；
BIA基因簇搜索：plantiSMASH version 3.0.5-a04b4cd。
研究成果
1. 罂粟基因组的组装
罂粟的基因组存在大量重复序列（~70%），而且经历了多次大规模的结构变异，使得基因组的组装异常困难。文章利用二、三代测序技术、nanopore测序、10x genomic、BAC等技术，总共组装得到2.72Gb基因组数据，覆盖基因组大小的94.8%，contig N50为1.77Mb，Scaffold N50为204Mb，构建出了11条染色体，利用遗传图谱将81.6%的基因组序列挂载到染色体上。预测出51,213个编码蛋白基因，有同源或者RNA-seq支持的达到100%。另外预测出9,494个非编码RNA，重复序列为70.9%。
表1 罂粟的组装注释结果
2. 罂粟基因组的系统演化
罂粟是一种原始的双子叶植物。为了研究系统演化历程，把它的基因组同葡萄、拟南芥、阿拉伯咖啡、莲和耧斗菜等双子叶植物进行比较基因组学分析。利用共线性分析和Ks分析，对罂粟演化历程中的重大事件进行定位。研究显示，罂粟基因组在距今780万年发生了一次全基因组加倍事件，在距今至少1.1亿年发生过基因组片段的加倍事件。
图1 罂粟基因组特征及主要进化事件
3. 那可丁、吗啡类生物碱的合成演化和代谢通路
BIA（benzylisoquinoline alkaloids）是罂粟中重要的生物碱，其中最具药效的两种代谢物是那可丁和吗啡。基于基因组组装结果，确定了BIA代谢物和其同源物的功能基因在染色体上的位置，共15个基因，在11号染色体上形成了超级基因簇。正是由于罂粟在进化过程中基因组的加倍事件以及多次基因片段扩增、丢失、融合等，使得那可丁和吗啡代谢通路的基因聚集和共表达，形成了超级基因簇，这个超级基因簇在罂粟的根、茎部特异表达并且共表达，最终赋予罂粟神奇的能力：高效合成那可丁和吗啡等次生代谢产物。
通过blastp分析BIA基因簇，文章发现位于2号染色体的那可丁（noscapine）通路基因共线性块同源性低，位于21号染色体的吗啡（morphinan）通路基因共线性块同源性高，通过共线基因对的Ks和氨基酸替换率分析，发现与BIA基因簇的那可丁（noscapine）分支相关的共线块出现在1.1亿年前的古代重复事件，吗啡（morphinan）分支相关的共性性块出现在近代780万年的全基因组复制事件。这说明基因组复制事件对BIA代谢途径中所需基因的产生和基因表达的协调调控具有重要影响。
另外， STORR[(S)-to(R)-reticuline] 的融合事件是吗啡（morphinan）合成的关键，分析发现11号染色体的STORR的P450基因和氧化还原酶最近的旁系同源基因位于2号染色体的865bp区域中，这些旁系同源基因于STORR分子有相同的基因方向和外显子/内含子界限，基于此，猜测STORR基因是在全基因组复制后发生的865bp缺失。P450和氧化还原酶基因的结合构成了吗啡生物合成所必需的STORR基因融合。
图2 BIA代谢关键基因在基因组中的排列、表达及复制
(A) 11 号染色体上584kb的BIA基因簇（参与那可丁和吗啡合成的 15个共表达基因）；(B) 那可丁和吗啡合成通路示意图，绿色标记为BIA基因簇；(C) 那可丁和吗啡合成相关基因的组织特异性表达模式；(D) 11号染色体的STORR的P450和还原酶分子与2号染色体上同源序列；(E)可待因3-O-去甲基化酶(CODM)、6-O-去甲基化酶(T6ODM)和CODEINONE还原酶(COR)基因在基因组中的部分复制
文章总结
在此篇文章中，科学家利用二、三代测序，组装获得了高质量的罂粟的基因组，通过比较基因组学，分析重构了罂粟的系统演化史，并发现罂粟基因组在距今780万年发生了一次全基因组加倍事件，在距今至少1.1亿年发生过基因组片段的加倍事件，为揭示罂粟科乃至早期双子叶植物进化历史奠定了重要基础。另外通过转录组测序，分析和生物碱合成相关的合成通路和关键基因，揭示了罂粟止疼、镇咳的分子理论基础，为罂粟的分子育种和药物合成提供重要依据。
科技君说
罂粟在植物演化谱系中所处的位置很重要，可以为其他双子叶植物的研究提供参考。另外，罂粟的生物碱合成机制和重要分子理论基础将为罂粟的分子育种和药物合成提供重要参考。如果将来能培育出只产生止疼、镇咳，而不使人成瘾的新品种，那罂粟的应用前景将更为广阔。更为重要的是，作为植物的罂粟本身并“无罪”，应该控制的是人类的欲望和贪婪。
参考文献：
L.Guo et al. The opium poppy genome and morphinan production. Science. 2018 Oct 19;362(6412):343-347. doi: 10.1126/science.aat4096. Epub 2018 Aug 30.
撰稿：王晓丽
编辑：市场部
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