药用植物日本眼子木（Ophiorrhiza japonica Blume）的染色体级基因组组装

从林中小草到抗癌药物

许多现代抗癌药物最初来自野生植物，但产生这些药物的物种往往稀少、生长缓慢或难以人工栽培。日本眼子木是一种不起眼的林下草本，能生成喜树碱——一种强效抗癌化合物，也是若干化疗药物的化学基础。到目前为止，科学家们缺乏该植物的完整遗传蓝图，限制了对其如何合成喜树碱以及如何增强或复制该过程的研究。本研究提供了首个日本眼子木的染色体级基因组图谱，为更可靠和可持续的抗癌药物生产奠定了基础。

为何这种小植物至关重要

喜树碱最初是在一种生长缓慢且在野外受威胁的树中发现的，这引发了对长期供应的担忧。相比之下，日本眼子木为短命草本，更易于栽培和基因操作，使其成为研究和潜在生物工程替代对象。该植物还属于一个能产生多种重要医用分子的更大类群——单萜生物碱类。要开发这些化学资源，研究者需要详尽地了解该植物携带哪些基因以及这些基因在染色体上的排列方式。

构建高分辨率遗传图谱

研究团队结合了多种前沿的DNA技术，以极高的精度组装了日本眼子木的基因组。首先，他们利用流式细胞术从叶细胞估算基因组总大小，这种方法能测量单个细胞核中的DNA含量。随后使用PacBio HiFi技术测序长片段DNA，采用Oxford Nanopore测序捕获全长RNA分子以揭示基因表达情况，并利用Hi-C方法记录DNA不同片段之间的物理接触，以厘清这些片段在染色体内的折叠与连接关系。最终得到的基因组约为5.5亿个碱基，几乎全部可信地定位到11条染色体上。

基因组内部揭示的内容

在获取完整DNA序列后，研究者对其主要特征进行了分类。超过一半的基因组由重复序列组成，其中许多为长末端重复序列（LTR），这些古老的移动序列在长期演化中塑造了植物的DNA结构。在这样的基因组背景下，他们预测出28,182个蛋白编码基因，其中大多数有强烈的RNA证据支持并与公共数据库中已知的蛋白家族相匹配。他们还鉴定出多种非编码RNA基因，这些基因参与调控和精细调整细胞活动。与其他产生喜树碱的植物比较表明，日本眼子木的组装在完整性和清洁度方面与当前最优的植物基因组相当。

追寻抗癌药物起源的线索

作者不仅列出基因，还将日本眼子木的基因组与另外两种产生喜树碱的物种进行比较。他们追溯了沿染色体共享的基因块，并将这些模式与古老的全基因组复制事件联系起来，即整套染色体被复制的历史。分析表明，生物碱合成中一个关键的早期步骤——通向中心分子严格糖苷（strictosidine）的代谢途径——出现在与近缘种O. pumila共享的古老三倍基因组倍增之后，但在喜树属植物Camptotheca acuminata发生的后期重复事件之前。他们还定位了可能协同作用以合成喜树碱的候选基因簇，结合DNA、RNA和化学数据勾勒出这些途径在眼子木谱系内如何多样化的线索。

为未来抗癌治疗提供新工具

通过提供一个完整且注释良好的基因组，这项工作将日本眼子木变成了研究植物如何演化出复杂药用化合物的有力模式。对非专业读者而言，关键结论很直接：科学家现在拥有了一本详尽的说明手册，关于一种能天然合成重要抗癌化合物的植物。有了这一蓝图，今后的研究可以专注于揭示喜树碱合成的每一步，改良植物育种，并可能将关键途径转移到微生物或农作物中。长期来看，该基因组有助于保障更可持续、更经济的喜树碱类药物供应，并激发新的植物衍生药物的研发。

引用: Tang, X., Liu, Y., Liao, Y. et al. Chromosome-level genome assembly of the medicinal plant Ophiorrhiza japonica Blume. Sci Data 13, 393 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06784-5

关键词: 喜树碱, 药用植物, 基因组组装, 日本眼子木（Ophiorrhiza japonica）, 植物天然产物