说到葛根大家一定不陌生，野葛在美国开始被用作生态治理后来泛滥成灾被列为入侵生物，泰国葛根产业及其健康功效风靡全球。最早关于葛的文献记载出现在周代，《神农本草经》载“(葛根)主消渴，身大热，呕吐，诸痹，起阴气，解诸毒”。葛根的传统功效具有解肌退热，生津止渴，透疹，升阳止泻，通经活络，解酒毒等。现代药理研究表明，葛根在改善心血管系统、抗氧化、降血糖、解热、抗炎、解酒护肝、神经保护、抗骨质疏松和雌激素样作用等方面具有较好的药理活性。
粉葛为豆科葛属植物，为药食同源两用植物，素有“亚洲人参”、“南葛北参”的美誉，广泛种植在广西、广东、江西、湖南、湖北等地，其中广西是粉葛主要种植产区，种植面积全国第一！其中梧州藤县和平镇是中国著名的“葛根之乡”，藤县葛色天香和平粉葛产业（核心）示范区被评为广西现代特色农业(核心)四星级示范区。当前广西粉葛产业发展仍然面临很多亟待解决的问题，粉葛基因组的解析将为粉葛产业高质量发展提供科技支撑。
图1 粉葛的形态特征
2022年1月19日，广西农科院经济作物所严华兵团队联合永利集团3044在园艺领域权威期刊Horticulture Research（IF=6.79）上发表了题为“Chromosomal-level genome and multi-omics dataset of Pueraria lobata var. thomsonii provide new insights into legume family and the isoflavone and puerarin biosynthesis pathways”的研究论文，该研究通过PacBio和Hi-C测序构建了粉葛高质量的染色体水平基因组，解析了粉葛的基因组特征，随后利用包括基因组、转录组、代谢组在内的多组学技术深入解析了粉葛重要次生代谢物的生物合成机制，从而为粉葛的资源利用、遗传育种等研究提供了新见解。
图2 文章发表信息
鉴于粉葛杂合度较高，研究者选用了PacBio和Hi-C测序，构建的粉葛基因组大小为1.38Gb，Contig N50=598 kb，并将99.3%的序列锚定到11条染色体上，BUSCO评估基因组完整性为92.9%。通过注释，共获得了45270个蛋白编码基因，其中94.4%的基因可以得到功能注释，基因组中重复序列占比为62.7%。将粉葛与16个近缘物种（包含5个豆科植物）进行比较基因组分析，结果表明6个豆科植物共有基因家族为11204个，粉葛基因组中显著扩张的4743个基因家族主要富集在与类黄酮、生物碱、甾醇和萜类等生物合成相关的通路中；粉葛特有基因家族为2373个，主要富集在与萜类生物合成相关的通路中；粉葛基因组中受到显著正选择的基因共有34个，富集在昼夜节律、同源重组、淀粉代谢和蔗糖代谢等途径中。
图3 粉葛的基因组特征
系统进化分析表明，粉葛与大豆亲缘关系最近，两者在20.1个百万年前产生分化。通过Ks和4DTV分析，粉葛共经历两次WGD事件，一次WGD事件是大豆与粉葛共有的，发生在44.5个百万年前；另一次WGD事件是在粉葛与大豆分化后，粉葛独自经历的，发生时间大致在4.8个百万年前。
图4 粉葛的WGD事件分析
通过对高葛根素ZG-19和低葛根素ZG-39进行转录组和代谢组分析，研究者检测到了614种225种差异代谢物（DMs），1814个差异表达基因（DEG），DMs和DEG的丰富功能类别重叠，这说明它们都是与类黄酮、异黄酮和ABC转运相关的基因或代谢物。进一步分析代谢物与基因表达的相关系数，结果表明代谢物和基因对在样本中高度相关，60%的显著相关性涉及上调的代谢物和下调或不变的基因，在15%的显著相关性中，代谢物和基因表达的变化方向相同。此外，研究者在异黄酮生物合成途径中发现了大量的DMs和DEG。这充分解析了粉葛中异黄酮的生物合成途径。
图5 代谢组和转录组揭示异黄酮生物合成途径
通过同源基因搜索，研究者发现编码葛根素合成途径中关键酶的9个基因家族在粉葛中都有所扩张；通过分析糖基转移酶家族中催化糖基化修饰的基因，共鉴定出104个GT基因，有13个基因与8-C-葡萄糖基转移酶（8-C-GT）同源，其中6个与先前研究的催化大豆苷元C-糖基化为葛根素的PIUGT43基因同源；编码大豆异黄酮合酶（IFS）的基因（CHR11G3854.1）催化着葛根素合成的中间代谢物大豆苷元的合成，被鉴定为与葛根素的合成途径高度相关。总之，上述分析初步解析了粉葛中葛根素的生物合成途径。
图6 葛根素生物合成途径的鉴定
综上，该研究通过构建高质量的粉葛基因组解析了粉葛基因组的进化特征；通过多组学分析深入解析了粉葛中重要次生代谢物异黄酮、葛根素等生物合成途径，从而为粉葛的资源利用、遗传育种等研究提供了新见解。
广西壮族自治区农业科学院经济作物研究所尚小红副研究员和永利集团3044易欣欣博士为论文的共同第一作者，广西壮族自治区农业科学院经济作物研究所严华兵研究员为论文的通讯作者。此研究受到了国家自然科学基金、广西重点研发计划项目、广西科技基地与人才专项、广西青年基金、广西农科院青年拔尖人才等项目的支持。
广西农业科学院经济作物研究所严华兵研究员团队近些年与华中农业大学、永利集团3044、上海大学、广西中医药大学、广西医科大学等单位持续开展联合攻关，在全球葛根资源收集与鉴定评价、葛属资源分类、葛根基因组与分子生物学、粉葛和野葛品种选育、健康种苗生产、高产高效栽培等方面取得了一系列的成果。团队到目前为止，已广泛收集全球葛属种质资源419份，包括野葛、粉葛、葛麻姆、大花葛、泰葛、苦葛、红葛、须弥葛、食用葛等；通过开发葛SSR分子标记，构建了广西葛核心种质库；通过广泛靶向代谢组解析葛属葛种野葛、粉葛和葛麻姆等3个变种块根中影响食用品质和药用品质的代谢差异；结合表型鉴定通过叶绿体基因组研究，揭示了葛及其近缘种之间的系统发育关系；挖掘了调控葛根素合成代谢相关的结构基因和转录因子，并正在开展相关基因功能验证工作；选育出适合开发葛花茶、高葛根素粉葛、无渣粉葛、药用野葛等系列葛根新品种，并逐步建立配套种苗繁育和高效栽培技术。以上研究相关成果先后发表在Horticulture Research、Frontier in Plant Science、Molecules、植物遗传资源学报、植物生理学报等期刊，相关研究先后得到了国家自然科学基金委、广西科技厅等部门项目的资助。粉葛基因组文章的发表将进一步推动全世界葛属植物的进化与分类研究，促进我国葛根产业的科技进步，发挥基础研究源头供给作用以进一步推动广西地方特色优势粉葛产业的高质量发展。
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