西安交大在《科学》发文揭示鸦片罂粟基因组及吗啡合成原理

8月31日，由Xi交通大学叶开青年科学家工作室团队、英国约克大学伊恩·格雷厄姆院士团队和英国桑格研究所宁泽民研究员合著的一篇学术论文在美国最新一期《科学》杂志上发表。该论文首次在世界范围内发表了高质量的罂粟全基因组序列，揭示了其进化历史中的主要加倍和重排事件。阐明吗啡生物碱和合成基因簇的进化史，为进一步开发罂粟的药用价值，揭示罂粟科甚至早期双子叶植物的进化史奠定了重要基础。

其中，叶开青年科学家工作室副教授李国和讲师杨晓飞是本文的合著者，叶开教授是本文的合著者，Xi交通大学是本文的合著者。据了解，自从这篇研究文章在网上被接收和发表以来，只过去了八天。

人们都知道罂粟经常被称为“邪恶之花”。虽然它的外表明亮迷人，但它会滋生毒瘾。另一方面，它是缓解人类疾病痛苦的良药。目前，考古发现表明，在新石器时代，阿尔卑斯山脚下的洞穴中有使用罂粟的痕迹，鸦片罂粟传入中国是由于唐代通过大量食物进行的贡赋。

根据叶开的说法，破解罂粟基因组是科学界迫切需要破解的世界性难题。这是因为野罂粟基因组中有大量的重复序列(约70%)，并且经历了许多大规模的结构变异，使得基因组分析极其困难。

为此，叶开团队利用多种尖端基因组测序技术、复杂的数学模型、深入挖掘和分析方法，成功破译了罂粟基因组并揭示了其进化历史，首次在国际上完成了罂粟全基因组测序和高质量组装分析。

野罂粟基因组特征和主要进化事件

研究表明，罂粟基因组在780万年前见证了一次完整的基因组加倍事件，在至少1.1亿年前见证了一次基因组片段加倍事件。此外，首次发现罂粟合成止咳纳洛酮和镇痛吗啡生物碱的15个基因在11号染色体上形成一个超基因簇，在根和茎中特异表达和共表达。

正是因为罂粟在进化过程中经历了基因组加倍事件和多个基因片段的扩增、丢失、融合和重排，导致两个代谢途径基因的聚集和共表达，形成一个超基因簇，从而能够协同高效地合成新的次生代谢产物，而罂粟中最有效的成分吗啡类生物碱和麻醉药品是罂粟的次生代谢产物。

据有关医学专家介绍，这一次叶开的团队公布了罂粟的全基因组序列，破解了罂粟中合成次生代谢产物的秘密，这不仅对开发分子植物育种工具和培育新品种大有裨益，而且对工业合成中不同药效的生物碱产量的选择性提高也具有重要的指导意义。

“我们团队的研究目标和方向是让植物满足医疗需求，让物种造福人类。”叶开这么说。

据报道，叶开的罂粟基因组计划花了两年多的时间进行研究。设计于2015年底开始，所有数据于2017年6月获得，项目于2018年2月正式完成。在收集了数据之后，该团队仅用了八个月的时间就高效地完成了这个极其困难和具有挑战性的研究和分析过程。叶开迅速成功的秘诀在于充分利用国际科研合作。

多年来，Xi交通大学积极推行开放包容的人才政策，通过一系列的引进和培训项目，为青年教师的成长搭建了一个完整的阶梯。2016年初，已经在海外学习和工作了12年的叶开毅然选择了回国。Xi交通大学还建立了以叶开教授为首的第一个青年科学家工作室。

叶开青年科学家工作室成立后，在学校两级学科建设项目的支持下，以国家“精密医学”和“中药”战略发展规划为指导，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。基于大数据处理和模式识别的最新理论，包括药用植物基因组学和精密医学大数据处理在内的系统方法已经在国际和国内基因组计划中得到研究和应用，并取得了一系列国际领先的成果。

文章信息:http://science . science mag . org/content/early/2018/08/29/science . aat 4096