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科研進展

利用基因組分析揭示傳統染料植物板藍靛藍生物合成的遺傳基礎

文章来源:資源植物與生物技術重點實驗室  |  发布时间:2020-11-23  |  作者:张俪斌  |  浏览次数:  |  【打印】 【關閉

 

  板藍(Strobilanthes cusia),又名南板藍根,因爲累積豐富的靛藍色素(indigo)一直是傳統的藍色染料植物。人類學研究表明公元4000年前人类就开始利用靛蓝染料。在南美、埃及、印度、中国和欧洲等世界不同区域,蓝色的靛蓝染料为丰富多样民族的服饰文化提供了不可或缺的颜色资源。特别是从春秋战国时期,我国就有利用靛蓝染服饰的历史记载,在我国西南地区和部分南部区域至今保留着利用靛蓝染服饰的加工工艺,如大理白族的扎染、贵州苗族的蜡染、湖南侗族的侗布和海南黎族的黎锦等。根据中國科學院昆明植物研究所民族植物学团队的野外调查发现居住在云南的少数民族藍靛瑤對靛藍的利用具有特殊的文化內涵,他們崇尚藍色服飾,以藍色爲民族文化的主色調(圖1a, b)。因此,板蓝的利用对藍靛瑤传统文化的维持具有特殊的意义。此外,因为靛蓝indigo(一種吲哚生物堿)具有多種藥物活性,長期以來,板藍一直是傳統中藥中的重要方劑,在當今我國傳統中藥的現代化利用方面具有重要的利用前景。然而,關于植物累indigo的生理和分子基礎知之甚少,解析indigo物質生物合成的遺傳基礎對板藍的高效利用具有重要的指導意義。 

  近期,中國科學院昆明植物研究所民族植物学团队王雨华课题组与木本资源发掘与农林复合系统构建团队刘爱忠课题组合作,开展了板蓝的精细基因组测序并揭示靛蓝生物合成的分子机制。结合MinION單分子測序和Hi-C測序技術,首次獲得了板藍染色體水平的精細基因組(圖1c板藍基因組網站)。利用代謝組分析發現靛藍色素:靛苷 (indican)、靛藍 (indigo)和靛玉紅 (indirubin) 主要在板藍的葉片和莖中累積。結合代謝組和轉錄組的關聯分析發現與靛藍色素合成途徑相關的酶基因如細胞色素P450UDP-葡萄糖基轉移酶和β-葡萄糖苷酶(圖1d)在葉和莖的變化顯著。比較基因組學進一步揭示出細胞色素P450UDP-葡萄糖基轉移酶基因家族經曆了數量上的擴張和功能分化。這些研究揭示了,板藍累積靛藍的分子基礎。 

  該研究成果以“Blue genome: Chromosome-scale genome reveals the evolutionary and molecular basis of indigo biosynthesis in Strobilanthes cusia爲題發表在The plant journal杂志上。中國科學院昆明植物研究所王雨华研究员与刘爱忠研究员为共同通讯作者,徐伟副研究员为该论文第一作者。这项研究被选为The plant journal雜志的亮點文章,該雜志的資深編輯Alisdair R. Fernie對該項研究給予高度評價,並爲此撰寫題爲“Decoding indigo: the chromosome scale genome of Strobilanthes cusia highly pigmented plant important to diverse ethnic cultures in Asia” 的亮點文章。他指出將民族植物學與尖端的基因組測序及分析化學結合在一起,爲靛藍的生物合成分子基礎及板藍的馴化利用提供了理論指導。這篇文章爲民族民間植物資源的科學利用提供了一個很好的例子,即利用下一代測序技術和生物化學手段闡明我們的祖先選擇利用植物的深厚文化內涵。因此,鑒于地球生物基因組計劃(Earth Bio-Genome project)的啓動,它將提供一個對植物生物學許多方面有巨大用途的藍圖。 

 

1 高産靛藍植物板藍(Strobilanthes cusia)的基因組及靛藍(indigo)生物合成途徑。a. 身着靛蓝染制传统民族服饰的藍靛瑤染匠正在为制作植物靛蓝染料收割板蓝的叶和茎;b. 本研究所測序的藍靛瑤號板藍植株,包括全株,葉,莖,根及其制成的植物靛藍染料;c.板蓝基因组组装圖;d 靛蓝色素的生物合成途徑。 

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(責任編輯:李雪)

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