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砂仁是我国“四大南药”之一，具有化湿开胃、温脾止泻和理气安胎的功效，临床上主要用于治疗胃肠道疾病。砂仁中富含多种生物活性成分，包括挥发性萜类、黄酮类和多糖类等化学成分，其中乙酸龙脑酯、龙脑、樟脑、柠檬烯和莰烯是主要挥发性萜类。在《中国药典》中，正品砂仁有三种植物来源，包括阳春砂Wurfbainia villosa、绿壳砂Wurfbainia villosa var. xanthioides和海南砂Wurfbainia longiligularis，其中阳春砂品质最好，海南砂品质低于阳春砂，而绿壳砂主要在东南亚种植。因此，对砂仁中挥发性萜类生物合成进行研究，解析不同植物来源挥发性萜类差异的遗传基础，对砂仁品质提升和遗传改良具有重要意义。
图1：A：海南砂；B：阳春砂
近日，广州中医药大学岭南中药资源教育部重点实验室詹若挺/杨锦芬研究员团队联合湖南医药学院中药合成生物学研究湖南省重点实验室黄雪霜教授团队在Plant Physiology在线发表了题为“Comparison of Fructus Amomi genomes reveals the genetic basis of volatile terpenoids divergence and bornyl diphosphate synthase evolution”的研究论文。该研究组装获得海南砂高质量染色体水平基因组，并与课题组前期组装的阳春砂基因组进行比较分析，解析两者挥发性萜类差异的遗传基础，该研究结果为未来通过基因工程技术改良砂仁品质提供了重要的基因资源。
该研究首先对海南砂和阳春砂不同组织部位中挥发性萜类进行定性和定量分析，发现龙脑基二磷酸（BPP）相关萜类（龙脑、乙酸龙脑酯和樟脑）在海南砂中多种组织均有分布，而阳春砂中主要在种子团富集且含量较海南砂高。课题组前期对阳春砂中萜类合酶（WvTPS）的功能进行了系统研究，鉴定了阳春砂中唯一的龙脑基二磷酸合酶（WvBPPS），且发现该基因在种子团中特异高表达。为了解析海南砂和阳春砂挥发性萜类差异的遗传基础，组装获得了海南砂高质量染色体水平基因组（2.29 Gb, contig N50为80.39 Mb）。对海南砂中17个WlTPSs进行体外酶功能表征，鉴定了WlBPPS和具有BPPS活性的WlTPS24/26/28，并且这些基因在多种组织均有表达进而促进BPP相关萜类在海南砂多种组织分布。酶动力学分析表明WlBPPS和WvBPPS的催化活性相似，而qRT-PCR数据发现WvBPPS在种子团中的表达水平显著高于WlBPPS。进一步对WlBPPS和WvBPPS的启动子序列进行比对，发现WvBPPS启动子中具有调控胚乳特异性表达的GCN4-motif元件，并通过转基因烟草验证GCN4-motif元件正向调控WvBPPS在种子中表达，进而促进阳春砂种子团富含BPP相关萜类。此外，该研究还对单子叶植物中TPS和BPPS的进化进行了研究。
综上所述，该研究揭示了海南砂和阳春砂中挥发性萜类差异的遗传基础，以及姜科中挥发性萜类生物合成的进化，有助于未来砂仁品质的遗传改良。
图2：海南砂和阳春砂中主要TPS的相关性分析
广州中医药大学博士生杨鹏、硕士凌旭怡和华南农业大学周筱帆教授为该论文的共同第一作者，广州中医药大学杨锦芬研究员、詹若挺研究员和湖南医药学院黄雪霜教授为该论文的共同通讯作者。广州中医药大学马东明研究员和华南植物园叶育石老师也参与了该项研究。该研究得到了国家自然科学基金、广东省重点研发计划、广东南药产业技术体系创新团队项目和中药合成生物学研究湖南省重点实验室开放课题等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiad400
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