昆明植物所在探索滇产优质药材云黄连有性繁殖功能衰竭的遗传机制研究中取得重要进展
药用植物对于维护人类健康具有不可替代的重要作用。云南得天独厚的自然条件孕育了丰富的植物多样性，使其成为举世闻名的“植物王国”，滇产特色、道地和优质药用植物的多样性和丰富度也因此居于全国之首，其杰出代表云黄连(Coptis teeta Wall.)为毛茛科(Ranunculaceae)黄连属（Coptis）多年生林下草本植物，主要分布于东喜马拉雅山区和中国西南边陲山地。云黄连具有重要的药用价值，在中国和东喜马拉雅地区均有着悠久的药用历史，其根状茎作为传统药材被广泛用于治疗呼吸道、消化道和皮肤感染等多种疾病。现代植物化学和药理学研究发现，云黄连根状茎中的小檗碱、药根碱等苄基异喹啉类生物碱具有高效的抗菌、抗病毒、抗炎症、抗肿瘤、降血糖、降血压活性，还对动脉硬化、心肌缺血等心血管疾病有良好的疗效。与东亚地区分布的其他黄连属植物相比，云南高黎贡山地区出产的云黄连药材小檗碱含量相对更高、其疗效更佳，因此被誉为药用黄连的上品和滇产优质药材。
图1. 云黄连植株形态：全株（A） ，地上部分（B），地下部分多分支的匍匐根状茎及茂密的不定根（C）
虽具有优异的药用特性，云黄连的物种保护和资源开发利用却存在显著的问题：在分布区范围内，该植物绝大多数野生种群因花粉败育而只开花不结实，即便结实，其种子产量和萌发率极低，因此只能通过匍匐根状茎的分株进行克隆繁殖；有性繁殖功能的衰竭，导致云黄连野生种群难以大量增加个体数量并扩大分布区范围，过度利用导致其野生种群日益减少，因此被国际自然保护联盟（IUCN）列入濒危物种红色名录。理论上，长期无性繁殖还将导致云黄连在遗传上产生并积累诸多的有害突变，削弱其进化潜力进而增加物种的灭绝风险。为解决药材资源紧缺问题，高黎贡山地区实施人工种植云黄连已逾百年。然而，有性繁殖功能衰竭导致种植企业和农户只能采用“分株繁殖”（即克隆繁殖）的方式进行栽培云黄连的扩繁，因繁殖系数相对较低，其种植规模和药材产量一直难以扩大，成为限制云黄连药材产业发展的“卡脖子”问题。鉴此，运用现代生物技术对云黄连进行遗传改良，恢复并提高其有性繁殖功能对于云黄连的物种保护和药材产业发展至关重要。
国外同行的研究发现，有性繁殖功能衰竭的云黄连个体的花粉母细胞在减数分裂过程中存在同源染色体的联会异常和不规则分离问题，进而导致大量花粉败育而降低这些个体的有性繁殖效能。尽管如此，引发云黄连在减数分裂过程中发生同源染色体联会异常的遗传机制尚不清楚，因此难以应用现代生物技术对其进行遗传改良。为探索云黄连有性繁殖功能衰竭的遗传机制，研究人员借鉴国内同行揭示广藿香（Pogostemon cablin）和浙江猕猴桃（Actinidia zhejiangensis）等植物有性繁殖功能丧失的遗传机制的成功经验，基于PacBio高保真（HiFi）测序、高通量染色体构象捕获（Hi-C）测序、Illumina短读长测序和转录组数据组装并注释了云黄连的单倍型参考基因组，将97.59%的组装数据被锚定到18条染色体上，并将其分配到两套单倍型基因组中（2n=2X=18）。所组装的两套单倍型基因组总大小分别为931.7 Mb 和898.9 Mb，scaffold N50均在94 Mb以上；基因组注释分别从两套单倍型基因组中鉴定出43,979和46,311个蛋白编码基因，并成功对95.12%和92%的蛋白编码基因进行了功能注释。
图2. 云黄连高质量单倍型参考基因组
比较基因组分析发现，云黄连两套单倍型基因组的同源染色体间存在大量的结构变异，包括106个倒位、1,488个易位和5,151个片段复制和缺失。这些结构变异的存在，不仅导致同源染色体间在序列长度上出现不同程度的差异，还导致两套单倍型基因组间出现大量的（共计11,285个）异质分化区域（其序列总长度约为221.234 Mb）。该发现为验证无性繁殖生物因缺乏同源染色体的重组和分离，其基因组更易于产生和积累结构变异和序列突变这一理论预测提供了相对直观的实证研究证据。另一方面，云黄连两套单倍型基因组间高度的结构变异又极有可能导致在减数分裂过程中同源染色体更加难以正常联会，致使有性繁殖功能衰竭的云黄连个体和种群在繁殖方式的演化途径上陷入“基因组结构变异引发的减数分裂异常降低有性繁殖效能，长期依赖无性繁殖不断积累基因组结构变异，又将进一步加剧有性繁殖功能的衰竭”的恶性循环，最终将导致有性繁殖功能的彻底丧失。鉴此，运用现代生物技术对云黄连进行遗传改良以恢复并提高其有性繁殖功能势在必行。高质量单倍型基因组的组装和注释还可为解析云黄连优异药用品质形成的遗传机制和开展分子育种、种质资源创新和物种保护研究奠定基础，进而促进滇产优质药材云黄连的物种保护和产业发展。
图3. 云黄连两套单倍型基因组同源染色体间的结构变异
该研究成果A haplotype-resolved genome assembly of Coptis teeta，an endangered plant of significant medicinal value为题在国际综合期刊Scientific Data发表。中国科学院昆明植物研究所2024级博士研究生王亚和2023级博士研究生刘燕为论文第一作者，2021级硕士研究生缪柯（已毕业）和2022级硕士研究生侯禄晓为共同作者，导师纪运恒研究员为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金面上项目（32370395），云南省“兴滇英才支持计划”顶尖创新团队项目（202305AT350001）和云南省科技计划重点研发项目（202103AC100003）的联合支持。