《Plant Physiology and Biochemistry》：The gap-free genome and functional characterization of
O-methyltransferases provide insights into the biosynthesis of sanguinarine and chelerythrine in
Eomecon chionantha
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本研究针对血根碱和白屈菜红碱原料植物资源稀缺问题，通过构建雪里见（Eomecon chionantha）首个T2T无缺口基因组（368.5 Mb），结合多组学分析鉴定出28个O-甲基转移酶（OMT）基因，功能表征发现EcOMT3/4/5/10/17/25/26/27具有6OMT/SMT双功能活性，EcOMT17特异性催化4'OMT反应，揭示了OMT家族在苄基异喹啉生物碱（BIA）合成中的进化分化和代谢多样性，为罂粟科植物合成生物学提供重要遗传资源。
在传统中药宝库中，雪里见（Eomecon chionantha）这种罂粟科植物以其抗炎、解毒和镇痛功效备受青睐。更令人瞩目的是，它富含两类高价值苄基异喹啉生物碱（Benzylisoquinoline Alkaloids, BIA）——血根碱（sanguinarine）和白屈菜红碱（chelerythrine），这些成分被证实具有抗菌、抗肿瘤和促进动物生长等多重药理活性，已成为欧盟批准的植物源饲料添加剂Sangrovit?的核心成分。然而，当前这些生物碱的生产严重依赖博落回（Macleaya cordata）和北美血根草（Sanguinaria canadensis）的提取，后者更被列为濒危植物，原料供应面临严峻挑战。
面对这一困境，科学家们将目光投向雪里见这一潜力替代资源。但要想实现其产业化利用，必须破解一个关键科学问题：雪里见中血根碱和白屈菜红碱的生物合成途径如何运作？其中起核心作用的O-甲基转移酶（O-methyltransferases, OMT）家族具有怎样的功能特性？这些酶在进化过程中形成了怎样的特异性？这些问题不仅关系到雪里见资源的有效开发，更对理解整个罂粟科植物生物碱多样性的形成机制具有重要意义。
为攻克这一难题，湖南医药学院的研究团队在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表了突破性研究成果。他们采用多维研究策略：通过PacBio HiFi和牛津纳米孔超长读长测序技术结合Hi-C数据，首次完成了雪里见端粒到端粒（Telomere-to-telomere, T2T）无缺口基因组组装；利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）对不同组织进行代谢组学分析；结合比较基因组学和系统发育分析鉴定关键OMT基因；最后通过体外酶活实验验证候选基因功能。
关键技术方法包括：基于PacBio HiFi（92×覆盖度）和牛津纳米孔超长读长（163×）测序的T2T基因组组装技术、利用Hi-C数据（217×）的染色体挂载、多组织转录组测序、UPLC-QQQ-MS靶向代谢物定量分析、原核表达系统（pET28a载体）的酶功能验证等。植物样本采自湖南怀化自然种群。
基因组特征解析显示，雪里见基因组大小为368.5 Mb，包含9条染色体，注释到19,785个蛋白编码基因，重复序列占比58.89%。比较基因组分析发现雪里见与博落回共享一次全基因组复制事件（约3790万年前），这为OMT基因家族的扩张提供了进化基础。
代谢组学结果令人振奋：在雪里见不同组织中共鉴定到186种BIA，其中血根碱和白屈菜红碱在根中含量分别达到5.2 mg/g和9.9 mg/g，且白屈菜红碱含量在所有组织中均显著高于血根碱，这一分布模式与博落回恰好相反。
研究最精彩的发现来自OMT基因家族的功能解析。28个EcOMT基因中71.4%以串联重复形式存在，其中8个候选基因（EcOMT3/4/5/10/17/25/26/27）被证实参与BIA生物合成。功能实验表明，所有8个EcOMT均具有6OMT和SMT（scoulerine-9-O-methyltransferase）双功能活性，而仅有EcOMT17表现出特异的4'OMT功能。这种酶活性的分化模式揭示了BIA合成网络的灵活性：多个6OMT共同驱动代谢流向BIA合成，串联复制的SMT（EcOMT3/4）促进了苯并菲啶类生物碱的生产，而高度特异性的4'OMT（EcOMT17）则成为途径中的关键控制点。
特别值得注意的是，EcOMT17展现出罕见的三功能催化能力（6OMT、4'OMT和SMT），其与底物（S）-3'-羟基-N-甲基乌药碱的Km值为33.27 μM，催化效率（kcat/Km）达0.0078 μM-1s-1，高于已报道的Ps4'OMT。同时，EcOMT27在6OMT活性、EcOMT3/4在SMT活性方面表现出最高催化效率。这些酶的组织特异性表达与代谢物积累模式高度吻合，如在血根碱和白屈菜红碱主要富集的根中，EcOMT27、EcOMT17和EcOMT4表达量最高。
研究结论深刻揭示了OMT家族在BIA生物合成中的进化策略：6OMT和SMT活性的广泛存在体现了酶的功能冗余和代谢网络弹性，而4'OMT的高度特异性则保证了合成途径的精确调控。雪里见中SMT基因的串联复制（EcOMT3/4）可能解释了其白屈菜红碱含量显著高于血根碱的独特代谢特征。
这项研究不仅提供了罂粟科首个T2T无缺口基因组资源，更重要的是阐明了OMT家族在BIA合成中的功能分化规律，为后续代谢工程和合成生物学研究提供了关键酶元件。雪里见因其基因组较小、生长快速、BIA多样性丰富等特点，有望成为研究BIA生物合成与调控机制的理想模型植物。该研究成果对开发可持续的生物碱生产策略、保护濒危药用植物资源具有重要实践意义，同时为植物特殊代谢物进化研究提供了新视角。
