PNAS解密烟草尼古丁练成之谜
2018-06-23 09:32 ·不是化石生物，没有稀有属性，就是这么熟悉却不失神秘，我就任性的复制变换，带给你一口又一口戒不掉的忧桑与残喘~
烟草基因组登PNAS啦~
尼古丁，人类烟瘾反应最主要的生物碱，是烟草主动防御植食动物的一种神经毒素。然而，尼古丁合成通路的进化研究尚未被揭示。研究人员测序组装两个野生烟草基因组，Nicotiana attenuate (2.5 Gb) 和 Nicotiana obtusifolia (1.5 Gb)，这两种野生烟草是自然状态下研究适应性很好的生物模型。研究发现在茄科发生全基因组三倍化事件之后，烟草基因组整套的转座因子发生了扩张，促进了发生复制的基因的表达多样性，从而促使取食诱导信号和防御信号的形成，这就包括尼古丁合成通路。这种根部合成尼古丁的生物合成机制，来源于两个古老的初级代谢通路（聚胺和辅酶通路）的逐步复制。多胺通路的复制事件是茄属植物共有的，能够生成多胺衍生的烷类生物碱，与此相比，NAD通路的复制具有种系特异性，发生复制的茄科特有乙烯应答因子在植物根部特异性表达，能够激活所有尼古丁合成通路基因的表达，因此烟草才能生成尼古丁。由转座子衍生而来的转录因子结合位点，为尼古丁合成通路基因的共同表达和代谢通量的调节做出了巨大的贡献。综上，这些结果都为TEs和复制事件促进了有利于植物生存的关键代谢新通路的形成。
下面就跟小编来详细的解读下这篇文章。
基因组组装注释N. attenuata基因组采用的是30× Illumina short reads、4.5× 454 reads 和10× PacBio single-molecule long reads，组装得到2.37 Gb基因组，并通过50×光学图谱和高密度遗传图谱将基因组组装到染色体水平，12条连锁群组装长度为825.8 Mb，contig N50长度为90.4 kb，scaffold N50长度为524.5 kb。同样的，采用50× Illumina sort reads组装得到N. obtusifolia基因组，contig N50长度为59.5 kb，scaffold N50长度为134.1 kb。对N. attenuata基因组进行基因预测，使用AUGUSTUS和MAKER2基因预测流程预测得到33,449个基因，其中71%具有RNA-seq reads支持，并且12,617个基因与拟南芥同源，18,176个基因与番茄基因同源。
为了研究烟草的进化历史，通过与11个已发表物种进行系统发生分析，证实烟草与茄科物种（除沟酸浆属）共同经历了一次全基因组三倍化（WGT）事件。两种野生烟草基因组中至少有3,499对基因来源于WGT事件并在这两个物种中保留了下来，4dTV和TD分析表明这些基因中53.7%至少在一种组织中表现了表达变异，这就说明这些WGT事件衍生出来的重复基因形成了新的功能或者亚功能。(yancaoye.comwww.yancaoye.com)
根据“genomic shock”假说，多倍化事件的发生总是伴随着TE活动的爆发。野生烟草基因组中的LTRs明显高于其它茄科成员，N. attenuata高达81.0%，N. obtusifolia高达64.8%。TE插入历史分析发现，所有烟草的反转座子Gypsy在近期都发生过扩张，其中N. obtusifolia基因组较小，相比与其它烟草Gypsy拷贝数较低。最新研究指出辣椒在近期也经历过一次大规模的Gypsy扩张，时间推算是发生在WGT事件之后，稍微早于烟草的Gypsy扩张，这就说明茄科不同物种的Gypsy扩张是独立发生的。
除此之外，MITEs在进化中也有举足轻重的作用。由于MITEs的位置长紧邻基因并且转录活跃，所以被认为能够促进基因调控的演化。N. attenuata基因组中共注释出13个MITE家族，其中几个家族在烟草中发生了扩张。其中茄科特有的亚家族DTT-NIC1是最丰富的，多富集于N. attenuata基因上游1 kb区域内，并且这些基因多为食草动物诱导的早期防御相关基因，这可能与引入防御相关基因的WRKY转录因子结合位点有关。
新陈代谢和信号通路网络构建的创新可能是复制事件后组织水平上基因表达模式变化造成的。通过对一次复制事件后的基因对表达变化及DTT-NIC1插入作用的分析发现，DTT-NIC1家族插入与基因表达变异和组织特异性显著相关，这就说明TE家族是烟草全基因组复制事件后基因调控变化的决定性因素。
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为了更好的理解基因复制和TE插入在烟草适应性进化历程中的地位，研究人员重新构建了尼古丁生物合成通路的进化历史。尼古丁的合成局限于烟草的根部，包括吡啶环和吡咯烷环的合成，并通过A622蛋白和BBL作用最终合成尼古丁。分析发现，吡啶环和吡咯烷环的合成来源于植物两大主要的代谢通路：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸辅因子和多胺代谢通路。然而，这两种代谢通路的复制事件和模式并不相同，从而影响烟草生物碱代谢通路基因的差异。基因复制最终导致形成烟草、茄属和矮牵牛花共有的生物碱合成通路，该通路具有从茄科WGT事件或者更早的复制事件获得特有的基因。ODC2和PMT从祖先ODC1和SPDS的复制分化发生在WGT事件之前，然而ODC2保留这祖先的酶功能，PMT却需要甲基化腐胺通过新的反应来合成N-methylputrescine。PMT所需酶MPO就是全基因组多倍化过程中从DAO复制而来的，并且两个拷贝均保留了下来，以满足生物碱合成的需求。这说明ODC、PMT和MPO都支持ornithine-derived N-methyl-Δ1-pyrrolinium起源与祖先的说法。与此相比，NAD通路基因的复制事件中，吡啶环合成所需AO和QPT是烟草特有的且来源于局部复制。BBLs被认为是尼古丁合成通路后期氧化反应的关键，BBLs具有明显的根表达特异性，可能是基因复制后获得的新功能。
N. attenuata不同组织的转录组分析表明，尼古丁合成相关基因都在根中特异性表达，并且在相应食草动物的茉莉酸信号通路中表达上调。实验已经证实乙烯响应因子亚家族IX和MYC2在上调的尼古丁基因中具有重要作用。MYC2的复制发生于茄科的全基因组多倍化和片段复制，其中有两个拷贝在烟草和几种茄科植物中保留了下来。ERF IX cluster是WGT事件后烟草、茄属、辣椒和矮牵牛花共有的祖先串联复制，有趣的是，ERF189属于该串联复制。在烟草和茄属分开后，ERF189在不同的物种中独立发生复制，但是根特异表达的该基因拷贝只在二倍体烟草中存在。由于ERF189在所有尼古丁合成相关基因的表达调控具有重要的地位，也许在烟草的祖先物种中ERF189的根特意表达获取物就在调控根部尼古丁合成基因表达中起重要作用。
MYC2和ERF189对尼古丁合成通路基因的调控有赖于基因启动子区的转录因子结合位点GCC和G-box。尼古丁合成相关基因上游2 kb区域比它们祖先基因拷贝含有更多的GCC和G-box元件，这符合基因启动子区的GCC和G-box元件促进高通量尼古丁合成代谢所需转录调控形成的假说。(yancaoye.comwww.yancaoye.com)
植物能够产生结构多样的特有代谢产物，很多被应用于药物开发或者病虫害防治，然而也有一些深入到了我们日常的生活中，如尼古丁。事实上，这些特有代谢产物对于植物对生物和非生物胁迫的适应性起着至关重要的作用。通过对两个高质量野生烟草基因组的分析，为全基因组结构变异分析和尼古丁合成机制的演化提供了深入的基因组学研究。该研究阐明特有代谢物合成通路的形成和复杂适应性的进化历程中，基因复制和专做因子插入之间的互作具有重要的作用。
参考文献：
Xu S, Brockmöller 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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