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，西安交通大学叶凯青年科学家工作室团队、英国约克大学Ian Graham院士团队、英国Sanger研究所宁泽民研究员合作的学术论文在美国最新一期的《科学》（Science）杂志发表，该论文在国际上首次公布鸦片罂粟的高质量全基因组序列，揭示其进化历史上主要加倍和重排事件，阐明吗啡类生物碱、合成基因簇的进化历史，为进一步开发鸦片罂粟药用价值和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。

其中，叶凯青年科学家工作室郭立副教授与杨晓飞讲师为文章共同第一作者，叶凯教授为共同通讯作者，西安交通大学为第一作者单位。据了解，该研究成果文章从接收到在线发表仅时隔8天。

人们都知道，罂粟常被称之为“恶之花”，外表虽明艳动人，却能滋生瘾患。另一方面，它是缓解人类疾病痛苦的良药。目前，考古发现在新石器时代阿尔卑斯山脚下的洞穴中就有罂粟使用痕迹，而传入中国是在唐朝期间经由大食进贡所致。

据叶凯介绍，破解罂粟基因组是当今科学界亟待破解的世界难题。这是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，叶凯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。

罂粟基因组特征及主要进化事件

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由于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。

据相关医学医药专家表示，此次叶凯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。

“我们团队的研究宗旨与定位即，让植物满足医疗所需，使物种造福于人类。”叶凯如此言道。

据介绍，叶凯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个月的时间就高效地完成了这项极具难度与挑战的研究分析过程。叶凯团队快速成功的秘诀在于充分利用国际化科研合作。

多年来，西安交大积极实行开放包容的人才政策，通过一系列引进和培养计划，为青年教师搭建成长的完整阶梯。2016年初，在海外学习工作十二载的叶凯毅然选择回到祖国，西安交通大学也成立了叶凯教授领衔的第一个青年科学家工作室。

叶凯青年科学家工作室组建后，在学校双一流学科建设项目的支持下，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，基于大数据处理和模式识别的最新理论，研究包括药用植物基因组和精准医疗大数据处理的系统化方法，在国际国内基因组项目应用，取得了一系列国际领先的成果。