要想高效合成分子结构复杂的抗癌明星药紫杉醇，人类还得向珍稀濒危植物红豆杉“取经”。日前，中国农科院（深圳）农业基因组研究所（以下简称基因组所）和湖南农业大学等合作，于《自然—植物》在线发表了南方红豆杉染色体级别的高质量参考基因组，并全面解析了紫杉醇生物合成的遗传基础。
抗癌明星药高度依赖珍稀濒危植物。“植物大熊猫”红豆杉是我国一级珍稀濒危保护植物，被全世界42个国家称为“国宝”。由红豆杉产生的独特的二萜类化合物紫杉醇，上世纪60年代首次从红豆杉树皮中被分离鉴定。1992年首款紫杉醇注射液上市。据悉，紫杉醇的化学结构极其复杂，含有47个碳原子、11个立体中心、多个手性中心和官能团，化学全合成的生产成本很高，难以满足工业化生产需要。
现阶段，紫杉醇类原料药主要依赖人工种植的红豆杉植物提取和化学半合成。“但是，紫杉醇在红豆杉中含量非常低，加之红豆杉生长十分缓慢，造成当前的紫杉醇供需矛盾。”基因组所研究员闫建斌告诉《中国科学报》，通过合成生物学和生物多组学等技术联用，开发高产紫杉醇的植物或微生物反应器，是降低紫杉醇生产成本和保护红豆杉自然资源的必由之路。
全世界有11种红豆杉，在我国主要分布着中国红豆杉、南方红豆杉、东北红豆杉、云南红豆杉和曼地亚红豆杉。基因组所研究员熊兴耀介绍，南方红豆杉主要分布于长江流域以南各省区，在我国南方省份多有分布，河南和陕西也有其身影。由于其紫杉醇含量较高，是人工种植红豆杉的主要选择之一。
该团队选取南方红豆杉的单倍型胚乳材料进行全基因组测序，成功组装了染色体级别的高质量参考基因组。“红豆杉的基因组大且复杂，选取南方红豆杉的单倍型胚乳材料进行全基因组测序，可以避开复杂基因组的杂合片段，从而有效提升基因组组装质量。”熊兴耀说。
研究发现，南方红豆杉基因组经历了一次古代的全基因组复制事件，并且其基因组中的重复序列经历了长期而连续的插入过程。“全基因组复制和重复序列连续插入现象的发现，在一定程度上解释了红豆杉在进化过程中基因组变大的原因。”闫建斌解释说，“同时，在漫长的进化过程中，与其他裸子植物相比，红豆杉进化形成了独特的Gypsy和Copia转座子家族，从基因组角度体现了红豆杉作为‘植物大熊猫’的遗传独特性。”
不仅如此，红豆杉还进化出独有的紫杉醇生物合成相关基因家族。“紫杉醇只能在红豆杉中合成，这与其独特的基因家族有密切关系。”闫建斌说，该研究系统分析了紫杉醇合成相关基因的定位与协同表达调控，绘制了多个相关基因家族的位置图谱，特别揭示了细胞色素P450家族，尤其是紫杉醇合成相关P450亚家族（CYP725A）的基因组分布和调控规律。
中国科学院院士邓子新高度评价了该研究进展。他指出，从紫杉醇被发现开始，科学家经过半个多世纪的研究，完成了对其构效关系、药物剂型、药物来源、临床应用、作用机制等方面的研究工作。如今，我国科学家完成南方红豆杉基因组测序和组装，为解决“红豆杉如何合成紫杉醇”的关键科学问题提供了重要基石。