在大自然中，許多植物不僅是風景的點綴，更是人類寶貴的“藥箱”，它們體內合成的復雜化合物構成了許多現代藥物的源頭。積雪草，這種在傘形科中具有重要地位的藥用植物，便是其中之一。它所合成的積雪草苷和羥基積雪草苷等烏蘇烷型三萜皂苷，被證實具有保護心肌細胞、神經、延緩細胞衰老等多種生物活性，是化妝品和醫藥行業的重要原料。然而，這些寶貴成分在植物體內含量極低，提取困難，限制了其廣泛應用。更重要的是，科學家們對于是什么基因、以怎樣的“流水線”方式驅動積雪草合成這些獨特的三萜皂苷，其基因組經歷了怎樣的演化歷程才塑造出如今的特性，仍知之甚少。現有的基因組參考序列，往往無法區分來自父本和母本的兩套染色體（即單倍型）的差異，從而掩蓋了大量可能與功能、表達相關的等位基因信息。為了解開積雪草藥用價值背后的遺傳密碼，并為相關育種和合成生物學研究奠定基礎，來自海南大學的研究團隊在《The Crop Journal》上發表研究，為積雪草構建了高質量的單倍型基因組，并深入探究了其基因組演化與烏蘇烷型三萜皂苷累積的奧秘。

為了開展這項研究，研究人員綜合運用了多項關鍵技術。他們首先利用PacBio Sequel II平臺對積雪草混合組織的DNA進行高通量測序，獲得了高精度的HiFi長讀長序列，同時結合Illumina MGISEQ-T7平臺產生的Hi-C數據，利用Hifiasm等軟件成功組裝出了兩個單倍型分型的基因組（分別命名為Ca. Hap1和Ca. Hap2），并將其錨定到9條假染色體上。隨后，他們利用多種生物信息學工具對基因組進行了注釋，包括重復序列預測、蛋白質編碼基因預測與功能注釋，并利用多組學整合分析，通過對葉、莖、根三種組織的代謝組和轉錄組進行聯合分析，構建了代謝物-基因的調控網絡。最后，他們通過in vitro酶活實驗，對從網絡中篩選出的候選糖基轉移酶基因進行了功能驗證。

研究成功組裝了積雪草的單倍型基因組。分析顯示，Ca. Hap1和Ca. Hap2的基因組大小分別約為439.77 Mb和436.92 Mb，各包含9條染色體。基因組質量評估指標（如QV值、LAI值、BUSCO完整性）均表明該組裝具有高質量。兩個單倍型中分別注釋出38,825和38,383個蛋白質編碼基因，重復序列（特別是LTR反轉錄轉座子）占基因組總長的比例超過57%，表明積雪草基因組富含重復序列。

與已發表的端粒到端粒（T2T）基因組相比，Ca. Hap1存在大量單核苷酸多態性（SNP）和40個染色體倒位區域。然而，兩個單倍型自身之間則表現出高度的共線性，結構變異極少。研究人員在所有染色體末端都鑒定到了端粒區域，并預測了各染色體上的著絲粒位置。

盡管兩個單倍型序列保守，但存在顯著的等位基因失衡現象。研究人員從共線性區塊中鑒定出35,737對等位基因，其中2,443對編碼不同的氨基酸序列。通過對不同組織（葉、莖、根）的轉錄組分析，發現有536對等位基因呈現表達失衡，這些基因在單倍型間存在偏向性表達，形成兩個不同的基因簇。研究還展示了一個具體例子（Hap1_Ceasi03g150560/Hap2_Ceasi03g151510），其編碼的蛋白質序列高度相似但存在多個非同義SNP，且其中一個等位基因在所有組織中均占主導表達。

通過與其他11種植物的比較基因組學分析，構建了系統發育樹，估算了物種分化時間。結果顯示，積雪草與傘形科其他物種在大約4690萬年前發生分化，是一個早期分化的物種。在積雪草中，發現了632個擴張的基因家族和5,098個收縮的基因家族。擴張的基因家族富集于植物激素信號轉導、光合作用-天線蛋白通路以及細胞色素P450（CYP450）介導的藥物代謝等途徑，這可能與其強大的再生能力、無性繁殖特性以及三萜皂苷的生物合成能力相關。

同義替換率（Ks）分布分析表明，積雪草在其進化史上經歷了一次古老的γ全基因組三倍化（WGT）事件和一次后續的Ca-α全基因組復制（WGD）事件，其中Ca-α WGD事件是傘形科植物共有的。基因復制模式分析顯示，分散復制（DDG）是積雪草基因復制的主要方式。通過以僅經歷γ WGT事件的葡萄基因組為參考，研究重建了由7條染色體組成的古真雙子葉植物祖先核型（AEK），并推斷積雪草等物種的9條染色體是經歷WGD/WGT事件后，通過復雜的染色體融合和重排過程形成的。

通過對葉、莖、根三種組織的代謝組學分析，共檢測到563種代謝物。主成分分析顯示不同組織的代謝物積累模式存在明顯差異。轉錄組分析鑒定了6,738個差異表達基因（DEG），其中葉與根之間的差異最顯著。結合代謝組與轉錄組數據，研究人員構建了一個包含6,738個DEG和196個差異積累代謝物（DAM）的代謝調控網絡，為挖掘藥用成分合成的關鍵基因奠定了基礎。

從上述調控網絡中，研究人員聚焦于積雪草苷和羥基積雪草苷生物合成途徑相關的基因。他們發現在8號染色體末端存在一個包含9個UGT73家族基因的串聯重復基因簇，其中包含已驗證功能的CaUGT1和CaUGT73AD1。研究人員克隆了該簇中一個未驗證的基因CaUGT73CL69并進行體外酶活實驗。結果表明，CaUGT73CL69能夠以UDP-葡萄糖為糖供體，催化積雪草酸和羥基積雪草酸分別生成其一葡萄糖苷，但其與CaUGT1對兩種底物表現出不同的催化偏好性。

對已驗證的參與烏蘇烷型皂苷合成的基因（包括OSCs、CYP450s、UGTs、RRTs）進行分析發現，它們分布在多條染色體上，未形成典型的代謝基因簇，但存在串聯重復現象。例如，參與糖鏈第一輪葡萄糖修飾的CaUGT73s基因形成兩個串聯基因簇（位于3號和8號染色體），這兩個簇所在的染色體區域高度共線性，提示它們可能源于復制事件。參與第二輪葡萄糖修飾和鼠李糖修飾的CaUGT94s和CaRRTs基因也經歷了WGD/WGT和串聯復制。這些復制事件增加了相關基因的拷貝數，促進了多種烏蘇烷型皂苷的合成。

催化積雪草酸合成的關鍵酶基因CaCYP716C11起源于Ca-α WGD事件，但其在2號染色體上的同源基因因DNA序列變異（插入一個T導致形成終止密碼子）而丟失。系統發育分析表明，CYP716C11在五加科植物刺五加中仍存在同源基因，但在傘形科的胡蘿卜等物種中已丟失。這表明積雪草現代藥用化學型的形成，是祖先基因在特定譜系中被保留并獲得新功能的結果。

本研究成功構建了高質量的積雪草單倍型基因組，為深入探究其遺傳特性提供了前所未有的資源。基因組分析揭示了積雪草基因組的特征，如高比例的重復序列和顯著的等位基因表達失衡現象，后者可能是物種進化的重要遺傳基礎。進化分析表明，積雪草經歷了一次古老的γ-WGT和一次傘形科共享的Ca-α WGD事件，后續的染色體融合與重排最終形成了其當前的9條染色體核型。

研究的核心發現在于闡明了烏蘇烷型三萜皂苷多樣性的遺傳驅動機制。研究表明，全基因組復制（WGD）、全基因組三倍化（WGT）以及串聯基因復制是增加三萜皂苷生物合成途徑關鍵基因（尤其是UGT73s、UGT94s和RRTs）拷貝數的主要力量。這些額外的基因拷貝通過序列和功能分化，促進了多種糖鏈修飾的可能性，從而造就了積雪草中豐富多樣的烏蘇烷型皂苷。同時，研究驗證了新的糖基轉移酶基因CaUGT73CL69的功能，并揭示了CYP716C11這一關鍵氧化酶基因的進化軌跡，指出其同源基因的丟失與保留是塑造積雪草獨特藥用化學型的關鍵事件之一。

這項研究的意義重大。首先，所提供的單倍型基因組填補了高質量積雪草基因組資源的空白，特別是揭示了以往混合基因組所掩蓋的等位基因差異。其次，研究從基因組演化角度，系統解析了烏蘇烷型三萜皂苷生物合成途徑的擴張機制，為通過合成生物學或分子育種手段提高目標皂苷產量提供了關鍵的候選基因靶點和理論依據。最后，研究重建的祖先核型及染色體演化模型，增進了對傘形科乃至真雙子葉植物基因組進化規律的理解。總之，該工作不僅解碼了“草藥明星”積雪草的遺傳藍圖，也為利用基因組學工具挖掘和利用植物藥用活性成分樹立了典范。