中国科学院昆明植物研究所
利用基因组分析揭示传统染料植物板蓝靛蓝生物合成的遗传基础
文章来源:资源植物与生物技术重点实验室     发布时间:2020-11-23

  板蓝(Strobilanthes cusia),又名南板蓝根,因为累积丰富的靛蓝色素(indigo)一直是传统的蓝色染料植物。人类学研究表明公元4000年前人类就开始利用靛蓝染料。在南美、埃及、印度、中国和欧洲等世界不同区域,蓝色的靛蓝染料为丰富多样民族的服饰文化提供了不可或缺的颜色资源。特别是从春秋战国时期,我国就有利用靛蓝染服饰的历史记载,在我国西南地区和部分南部区域至今保留着利用靛蓝染服饰的加工工艺,如大理白族的扎染、贵州苗族的蜡染、湖南侗族的侗布和海南黎族的黎锦等。根据中国科学院昆明植物研究所民族植物学团队的野外调查发现居住在云南的少数民族蓝靛瑶对靛蓝的利用具有特殊的文化内涵,他们崇尚蓝色服饰,以蓝色为民族文化的主色调(图1a, b)。因此,板蓝的利用对蓝靛瑶传统文化的维持具有特殊的意义。此外,因为靛蓝indigo(一种吲哚生物碱)具有多种药物活性,长期以来,板蓝一直是传统中药中的重要方剂,在当今我国传统中药的现代化利用方面具有重要的利用前景。然而,关于植物累indigo的生理和分子基础知之甚少,解析indigo物质生物合成的遗传基础对板蓝的高效利用具有重要的指导意义。 

  近期,中国科学院昆明植物研究所民族植物学团队王雨华课题组与木本资源发掘与农林复合系统构建团队刘爱忠课题组合作,开展了板蓝的精细基因组测序并揭示靛蓝生物合成的分子机制。结合MinION单分子测序和Hi-C测序技术,首次获得了板蓝染色体水平的精细基因组(图1c板蓝基因组网站)。利用代谢组分析发现靛蓝色素:靛苷 (indican)、靛蓝 (indigo)和靛玉红 (indirubin) 主要在板蓝的叶片和茎中累积。结合代谢组和转录组的关联分析发现与靛蓝色素合成途径相关的酶基因如细胞色素P450UDP-葡萄糖基转移酶和β-葡萄糖苷酶(图1d)在叶和茎的变化显著。比较基因组学进一步揭示出细胞色素P450UDP-葡萄糖基转移酶基因家族经历了数量上的扩张和功能分化。这些研究揭示了,板蓝累积靛蓝的分子基础。 

  该研究成果以“Blue genome: Chromosome-scale genome reveals the evolutionary and molecular basis of indigo biosynthesis in Strobilanthes cusia为题发表在The plant journal杂志上。中国科学院昆明植物研究所王雨华研究员与刘爱忠研究员为共同通讯作者,徐伟副研究员为该论文第一作者。这项研究被选为The plant journal杂志的亮点文章,该杂志的资深编辑Alisdair R. Fernie对该项研究给予高度评价,并为此撰写题为“Decoding indigo: the chromosome scale genome of Strobilanthes cusia highly pigmented plant important to diverse ethnic cultures in Asia” 的亮点文章。他指出将民族植物学与尖端的基因组测序及分析化学结合在一起,为靛蓝的生物合成分子基础及板蓝的驯化利用提供了理论指导。这篇文章为民族民间植物资源的科学利用提供了一个很好的例子,即利用下一代测序技术和生物化学手段阐明我们的祖先选择利用植物的深厚文化内涵。因此,鉴于地球生物基因组计划(Earth Bio-Genome project)的启动,它将提供一个对植物生物学许多方面有巨大用途的蓝图。 

 

1 高产靛蓝植物板蓝(Strobilanthes cusia)的基因组及靛蓝(indigo)生物合成途径。a. 身着靛蓝染制传统民族服饰的蓝靛瑶染匠正在为制作植物靛蓝染料收割板蓝的叶和茎;b. 本研究所测序的蓝靛瑶号板蓝植株,包括全株,叶,茎,根及其制成的植物靛蓝染料;c.板蓝基因组组装图;d 靛蓝色素的生物合成途径。 

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