鸦片罂粟基因密码破解！美国《科学》今发表西安交大叶凯团队国际合作成果

▲西安交通大学叶凯教授和团队在科研一线。

记者从西安交通大学获悉，今天，最新一期的美国《科学》杂志发表了该校叶凯青年科学家工作室团队、英国约克大学伊恩·格拉汉姆院士团队、英国惠康基金桑格研究所宁泽民研究员合作的学术论文“鸦片罂粟基因组及吗啡喃的合成”。论文在国际上首次公布了鸦片罂粟的高质量全基因组序列，揭示了其进化历史上主要加倍和重排事件，阐明了吗啡类生物碱、合成基因簇的进化历史，为进一步开发鸦片罂粟药用价值，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。

▲罂粟基因组特征及主要进化事件。

这是一项由西安交大主导的国际合作研究成果，“叶凯青年科学家工作室”是该校第一个青年科学家工作室。该工作室郭立副教授、杨晓飞讲师为论文共同第一作者，叶凯教授为共同通讯作者，西安交通大学为第一作者单位。该工作从接收到在线发表仅隔8天时间。

▲西安交通大学叶凯教授。

▲西安交通大学“叶凯青年科学家工作室”成员。

罂粟被称为“恶之花”，外表虽明艳动人，却能滋生瘾患，它也是缓解人类疾病痛苦的良药。新石器时代阿尔卑斯山脚下洞穴中就发现使用罂粟的痕迹，唐朝经由大食进贡传入中国。从罂粟中提取的吗啡类生物碱，是强有力的止疼剂，除具有止疼药效外，罂粟中的那可丁成分还具有显著止咳和抗癌功效。遗憾的是，人们对其药用价值并没有系统、全面的认识，不能将其物尽其用，实现更大的价值。

▲叶凯教授和工作室部分成员。

叶凯说，破解罂粟基因组是当今科学界亟待破解的世界难题。由于罂粟的基因组存在大量（约70%）的重复序列，且经历了多次大规模的结构变异，使得解析该基因组异常困难。为此，团队以英国本土罂粟植物为对象，利用多种前沿基因组测序技术、复杂数学模型、深度挖掘及分析方法，成功破译了罂粟基因组并揭示其进化历史，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。

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1.1亿年发生了基因组片段加倍事件。此外，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，该基因簇在根、茎部特异表达且共表达。

正是由于罂粟在进化过程中经历基因组加倍事件和多次基因片段扩增、丢失、融合和重排等，造成了两种代谢通路基因的聚集和共表达，形成了超级基因簇，从而能够协同高效合成新的次生代谢物，而罂粟中最具药效的吗啡类生物碱和那可丁成分均属于罂粟的次生代谢产物。

记者了解到，医学医药学专家认为，该团队公布罂粟全基因组序列，破译罂粟中合成次生代谢产物的奥秘，不仅对开发分子植物育种工具、培育新品种大有裨益，更对工业合成中选择性提高具有不同药效的生物碱产量具有重大指导意义。

据介绍，该团队的罂粟基因组项目研究历时两年多，从2015年底开始筹划设计，2017年6月拿到所有数据，到2018年2月正式完稿，团队采集数据后仅用8个月就完成了这项极具难度与挑战的研究分析过程。该研究快速成功的秘诀在于充分利用国际化团队合作及多学科交叉融合。

2016年初，在海外学习工作12载的叶凯回到西安交大。为打破学科壁垒，形成有利于开展综合交叉研究的工作氛围，该校积极探索“科学家工作室”模式，成立了叶凯教授领衔的第一个青年科学家工作室。此后，在学校“双一流”学科建设项目的支持下，该工作室以“精准医疗”“中医药”国家战略发展规划为指引，积极组建跨学科研究团队，开展生物信息学和基因组学的前沿交叉研究，在国际国内基因组项目应用上，取得了系列国际领先成果。

2016年10月6日，英国期刊Nature Communications以研究论文形式，刊发了该团队与荷兰、美国、德国的20个科研机构等，在人类基因组研究领域取得的新突破：论文分析并报道了在250个健康家庭的基因组中的所有类型变异，其中包括以前从未观测到的大量复杂型变异，即基因组中的“暗物质”。这一研究成果，使人们对人类基因组变异的认识向前推进了一大步，文章在生物信息领域引起了极大关注。该基因和其它发现的“暗物质”，被保存到国际数据库。

文章链接：http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/29/science.aat4096

文：报驻陕记者韩 宏

图：西安交通大学

编辑：韩 宏

责任编辑：朱 辉

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