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工作進(jìn)展
昆明植物所2022年度十大進(jìn)展揭曉 文章來(lái)源:辦公室 | 發(fā)布時(shí)間：2023-01-09 | 作者:李雪 | 瀏覽次數(shù)： | 【打印】 【關(guān)閉】 近日，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所“2022年度十大進(jìn)展”揭曉。本次評(píng)選通過(guò)各部門(mén)推薦，共推選出14項(xiàng)重要進(jìn)展。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)投票、研究所學(xué)術(shù)委員會(huì)最終評(píng)議，評(píng)選出昆明植物所“2022年度十大進(jìn)展”?，F(xiàn)將評(píng)選結(jié)果公布如下：其中，進(jìn)展第1-3項(xiàng)并列，排名不分先后；第4-6項(xiàng)并列，排名不分先后；7-8項(xiàng)并列，排名不分先后。  1.寄生植物列當(dāng)基因組演化模式被解析 列當(dāng)科是唯一同時(shí)包含自養(yǎng)植物和多種不同寄生程度植物的類(lèi)群，是討論植物寄生性起源與演化的理想對(duì)象。吳建強(qiáng)團(tuán)隊(duì)對(duì)列當(dāng)科綠春鐘萼草（Lindenbergia luchunensis，自養(yǎng)）、向日葵列當(dāng)和埃及列當(dāng)（Orobanche cumana，Phelipanche aegyptiaca，全寄生）進(jìn)行了全基因組測(cè)序，并與已發(fā)表的兼性半寄生松蒿（Phtheirospermum japonicum）和馬先蒿（Pedicularis cranolopha），以及專(zhuān)性半寄生獨(dú)腳金（Striga asiatica）進(jìn)行了比較分析。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與寄生植物菟絲子獲得寄生習(xí)性后基因組收縮不同，列當(dāng)科的寄生植物隨著寄生習(xí)性的加深，基因組更大，基因數(shù)量更多。其中吸器相關(guān)基因發(fā)生了多輪擴(kuò)張，不僅與古基因組加倍事件相關(guān)，也涉及各寄生植物的獨(dú)立演化過(guò)程。另一方面，自養(yǎng)植物中保守的基因隨寄生習(xí)性的增加也經(jīng)歷劇烈丟失，超過(guò)一半的丟失與不同起源的菟絲子趨同，展現(xiàn)出寄生習(xí)性下基因組演化的方向性。該研究1）首次對(duì)單一起源且不同寄生習(xí)性的植物類(lèi)群進(jìn)行的大規(guī)模比較基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)與寄生性相關(guān)的重要進(jìn)化事件；2）以組學(xué)數(shù)據(jù)支持了寄生性的三段式演化模型：首先獲得吸器，與寄主建立物理連接，然后逐漸依賴(lài)寄主，丟失不必要的功能基因，最終再獲得新基因使其更加生理上特化和提高對(duì)寄主的適應(yīng)性；3）為人們理解植物寄生性的起源和演化提供了全新視角和數(shù)據(jù)支持。
2.藥用生物堿類(lèi)天然產(chǎn)物的生物合成取得突破 莨菪堿和可卡因是具有悠久的藥用歷史且目前仍在臨床上廣泛使用的重要植物源天然藥物，也是植物化學(xué)這門(mén)學(xué)科起源的代表性天然產(chǎn)物之一。一百多年來(lái)，全球的科學(xué)家經(jīng)不懈努力解析了其生物合成的部分途徑，但可卡因化學(xué)結(jié)構(gòu)中基本骨架的生物合成仍然未知，成為一個(gè)懸而未決的百年科學(xué)問(wèn)題。黃勝雄專(zhuān)題組聚焦于重要生物堿的生物合成和藥用植物資源研究，2022年取得了以下突破性進(jìn)展： （1）闡明了可卡因基本骨架的生物合成機(jī)制，其涉及一個(gè)不穩(wěn)定的芽子酮酸中間體。同時(shí)，通過(guò)在煙草葉片中瞬時(shí)表達(dá)六個(gè)基因?qū)崿F(xiàn)了可卡因的異源合成（JACS, 2022, 144, 22000, 封面論文）。這是首次由中國(guó)人領(lǐng)導(dǎo)完成的重要植物源藥用生物堿的合成途徑解析工作。該工作發(fā)表后受到40多個(gè)國(guó)際媒體和科普期刊的報(bào)道，包括國(guó)際著名的老牌科普雜志New Scientist、The Chemistry World和ScienceAlert等。 （2）從生產(chǎn)可卡因的古柯植物中鑒定了兩個(gè)負(fù)責(zé)可卡因合成的聚酮合酶。創(chuàng)新性地結(jié)合結(jié)構(gòu)生物學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)等揭示了古柯科和茄科中基因獨(dú)立進(jìn)化而蛋白功能趨同的獨(dú)特進(jìn)化現(xiàn)象（Nat Commun, 2022, 13, 4994）。 （3）此外，黃勝雄專(zhuān)題組發(fā)現(xiàn)了托酚酮吡啶生物堿中罕見(jiàn)的催化非區(qū)域和非手性選擇性的新型黃素依賴(lài)酶，為多功能氧化還原酶的設(shè)計(jì)提供了新視角（Angew Chem, 2022, 61, e202200189）。
3.揭示毒蘑菇鵝膏環(huán)肽毒素的生源合成機(jī)制 有毒蘑菇對(duì)人類(lèi)健康常常造成威脅，但同時(shí)也是重要藥物和功能分子的來(lái)源。含有鵝膏環(huán)肽毒素的劇毒鵝膏屬真菌，被稱(chēng)為“世界最毒蘑菇”。劇毒鵝膏中的毒素為鵝膏環(huán)肽，但鵝膏環(huán)肽并非僅鵝膏屬真菌獨(dú)有，在親緣關(guān)系很遠(yuǎn)的環(huán)柄菇屬和盔孢傘屬中，也有能產(chǎn)生這類(lèi)毒素的真菌。 昆明植物所楊祝良專(zhuān)題組發(fā)現(xiàn)兩個(gè)鵝膏環(huán)肽合成新的關(guān)鍵基因P450-29和FMO1，將已知毒素合成基因從原來(lái)的2個(gè)增加到了4個(gè)。此外，新發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵基因?yàn)椴煌募友趺?，?fù)責(zé)在鵝膏環(huán)肽毒素的關(guān)鍵位點(diǎn)引入氧原子。若缺少這些氧原子，將導(dǎo)致毒素的活性下降1000倍以上。 研究首次證實(shí)，雖然在蘑菇目中鵝膏、盔孢傘、環(huán)柄菇間的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，但其產(chǎn)生鵝膏環(huán)肽毒素的遺傳學(xué)基礎(chǔ)是一致的，均由相似的基因控制。但在進(jìn)化長(zhǎng)河中，上述三大類(lèi)蘑菇中的毒素合成能力卻發(fā)生了翻天覆地的變化。 該研究通過(guò)建立目前全球唯一的劇毒鵝膏基因組平臺(tái)，構(gòu)建了鵝膏屬、盔孢傘屬和環(huán)柄菇屬中13個(gè)劇毒物種的基因組數(shù)據(jù)庫(kù)，完整解析了鵝膏環(huán)肽生源合成途徑在蘑菇目中的整體架構(gòu)，并對(duì)鵝膏環(huán)肽生源合成途徑有了更為深入的認(rèn)識(shí)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）。
4.昆明植物所再添三家省級(jí)科技創(chuàng)新平臺(tái) 今年，昆明植物所再添三家省級(jí)科技創(chuàng)新平臺(tái)：云南省野生特色觀賞植物創(chuàng)新工程研究中心獲云南省發(fā)展和改革委員會(huì)批復(fù)；云南省作物野生近緣種現(xiàn)代組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、滇東南熱帶山地森林生態(tài)系統(tǒng)云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站獲云南省科學(xué)技術(shù)廳批復(fù)。新增的三個(gè)平臺(tái)將分別在攻關(guān)制約云南花卉產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量多元化發(fā)展的品種和關(guān)鍵核心技術(shù)、作物野生近緣種種質(zhì)資源創(chuàng)新馴化選育、滇東南森林生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析研究發(fā)揮重要作用,提升科研創(chuàng)新能力，促進(jìn)區(qū)域的鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明戰(zhàn)略實(shí)施。 目前，昆明植物所省級(jí)科技創(chuàng)新平臺(tái)已基本形成規(guī)模和相對(duì)完整的體系，包括云南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室5個(gè)、云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站5個(gè)、云南省工程研究中心1個(gè)，這些科技平臺(tái)的建設(shè)對(duì)昆明植物所重組研發(fā)鏈條、提升凝練新學(xué)科方向、支撐昆明植物所相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展和人才團(tuán)隊(duì)的培養(yǎng)具有重要意義。
5.新靶點(diǎn)抗凝藥物LFG-53/YB209獲國(guó)家藥監(jiān)局臨床試驗(yàn)批準(zhǔn) 血栓栓塞性疾病是全球首位致死原因，抗凝藥物是臨床預(yù)防和治療血栓性疾病特別是靜脈血栓性疾病的“基石”，但現(xiàn)有臨床用藥均存在導(dǎo)致嚴(yán)重出血危險(xiǎn)的缺陷。近來(lái)研究顯示，內(nèi)源性凝血因子與病理性血栓形成密切相關(guān)而并非止血功能所必須，內(nèi)源性凝血因子抑制劑已成為國(guó)際上低出血傾向抗凝藥物研發(fā)的主要方向。 昆明植物所科研團(tuán)隊(duì)以天然來(lái)源的巖藻糖化糖胺聚糖為先導(dǎo)化合物，基于綜合的化學(xué)和藥理學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)了一系列選擇性的內(nèi)源性因子X(jué)酶(iXase)抑制劑，經(jīng)系統(tǒng)成藥性分析選擇以LFG-53/YB209為目標(biāo)成分。臨床前研究顯示，LFG-53/YB209具有相對(duì)于現(xiàn)有臨床抗凝藥的等效抗血栓活性下的低出血傾向的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),為強(qiáng)效和選擇性的iXase抑制劑，其藥理學(xué)靶點(diǎn)機(jī)制不同于現(xiàn)有臨床抗凝藥物，屬于“First-In-Class”類(lèi)新藥。 由昆明植物所原研、研究所聯(lián)合九芝堂股份有限公司開(kāi)展LFG-53/YB209新靶點(diǎn)抗凝新藥研發(fā)，于2021年獲得美國(guó)FDA簽發(fā)的臨床試驗(yàn)書(shū)面通知(IND 153593)。2022年收到國(guó)家藥監(jiān)局藥物臨床試驗(yàn)批準(zhǔn)通知書(shū)(受理編號(hào)：CXSL2200305)。LFG-53/YB209為我國(guó)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新藥成果，對(duì)臨床抗凝抗血栓治療具有重要意義。
6.隱藏的COP1突變是茉莉酸信號(hào)相關(guān)myc突變體早花的關(guān)鍵遺傳基礎(chǔ) 茉莉酸（Jasmonic acid，JA）是植物體內(nèi)一類(lèi)重要的脂質(zhì)激素，在植物抵御生物/非生物脅迫及生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中具重要調(diào)控作用。2017年報(bào)導(dǎo)的茉莉酸通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子MYC2/3/4調(diào)控植物開(kāi)花，被認(rèn)為是當(dāng)年中國(guó)植物激素領(lǐng)域取得的重要研究進(jìn)展。然而，應(yīng)用同一套突變體材料，昆明植物所胡金勇專(zhuān)題組發(fā)現(xiàn)，突變體中還存在一個(gè)未報(bào)道過(guò)的COP1（Constitutively Photomorphogenic 1）基因的點(diǎn)突變（命名為cop1-21）；突變體的早花表型與MYC2/3/4基因無(wú)關(guān)，而是由cop1-21突變導(dǎo)致的。 COP1編碼一種E3泛素連接酶，是植物光形態(tài)建成和開(kāi)花時(shí)間調(diào)控等重要生物學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵基因。cop-21點(diǎn)突變導(dǎo)致COP1蛋白第648位的絲氨酸（S）變?yōu)樘於０罚?/font>N）。與福建農(nóng)林大學(xué)崔海濤教授團(tuán)隊(duì)合作發(fā)現(xiàn)，該突變嚴(yán)重影響了COP1與FT上游的反式作用調(diào)控因子CO（CONSTANS）的互作，導(dǎo)致CO蛋白積累，FT表達(dá)水平提高，進(jìn)而導(dǎo)致擬南芥顯著早花。 該研究于2022年發(fā)表在Plant Cell雜志（https://doi.org/10.1093/plcell/koac319）。研究不僅澄清了多年來(lái)關(guān)于MYC轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控開(kāi)花時(shí)間的混亂局面，還發(fā)現(xiàn)了COP1這一明星基因的新遺傳材料。與目前常用的缺少整個(gè)WD40結(jié)構(gòu)域的cop1-4和在WD40結(jié)構(gòu)域之前發(fā)生同框插入突變的cop1-6不同，cop1-21突變位于COP1的WD40結(jié)構(gòu)域內(nèi)，突變體顯著早花，但無(wú)明顯植株矮小等發(fā)育缺陷，從而具有重要應(yīng)用潛力，為進(jìn)一步深入解析COP1功能提供了重要遺傳資源，也為作物早熟新品種的培育提供了理論依據(jù)。
7.融合新基因研究取得重要成果 新基因的誕生與丟失是生物遺傳多樣性演化的重要分子機(jī)制。自1993年首個(gè)Jinwei新基因被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，新基因演化機(jī)制研究就一直是基因組學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)30余年的研究，新基因形成被分成重頭起源、返轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座、基因融合與斷裂等多種機(jī)制。其中，由兩個(gè)或兩個(gè)以上母基因形成的融合新基因，可以通過(guò)序列重排而將不同功能結(jié)構(gòu)域進(jìn)行組合來(lái)產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)和功能以助力物種的適應(yīng)性演化，是一種重要的新基因演化機(jī)制。但融合新基因因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且往往快速變異，是新基因鑒定研究中的一個(gè)難點(diǎn)。 在此背景下，中國(guó)西南野生生物種質(zhì)資源庫(kù)章成君研究員、周艷麗博士及合作團(tuán)隊(duì)提出了基于系統(tǒng)發(fā)育框架的動(dòng)態(tài)鑒定融合基因的分析流程并開(kāi)發(fā)了鑒定工具GriffinDetector。研究團(tuán)隊(duì)利用稻屬多個(gè)基因組數(shù)據(jù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)劃分類(lèi)群，定義長(zhǎng)短元件等步驟，鑒定到310個(gè)融合基因并對(duì)其起源速率、起源模式和基因表達(dá)特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明大部分鑒定得到的融合基因具有生物學(xué)功能?；蚓庉嫷认嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)表明，融合基因07g28390、09g15430對(duì)種子萌發(fā)和根長(zhǎng)等表型有顯著影響，并對(duì)干旱等脅迫響應(yīng)明顯，表明該融合基因可能與逆境適應(yīng)性相關(guān)。該項(xiàng)研究為在大數(shù)據(jù)時(shí)代進(jìn)一步開(kāi)展融合基因研究奠定了方法和理論基礎(chǔ)。論文發(fā)表在國(guó)際知名期刊Genome Biology上。
8.牛肝菌多樣性及其基因組進(jìn)化機(jī)制研究 牛肝菌作為真菌中的明星類(lèi)群，因其重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值，一直備受關(guān)注，但因形態(tài)多樣、結(jié)構(gòu)繁雜、物種豐富，也一直是真菌中的困難類(lèi)群。盡管我國(guó)幾代真菌學(xué)家對(duì)它開(kāi)展過(guò)大量研究，但我國(guó)該科物種多樣性依然不清楚。昆明植物所楊祝良專(zhuān)題組結(jié)合形態(tài)、分子和生態(tài)等證據(jù)，對(duì)我國(guó)牛肝菌科物種多樣性進(jìn)行了攻關(guān)研究。通過(guò)多年努力，完成了我國(guó)該科的首部英文分類(lèi)學(xué)專(zhuān)著，發(fā)現(xiàn)廣義粉孢牛肝菌類(lèi)真菌在我國(guó)具有很高的多樣性，至少包括19屬105種，其中含2新屬，34個(gè)新種。為揭示牛肝菌科物種多樣性高的基因組進(jìn)化機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)首次對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)方式的牛肝菌目物種進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育基因組和比較基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)牛肝菌目物種從腐生向共生營(yíng)養(yǎng)方式轉(zhuǎn)變過(guò)程中，盡管降解植物木質(zhì)纖維素的關(guān)鍵酶基因發(fā)生了顯著性丟失，但轉(zhuǎn)座元件卻相反地發(fā)生了明顯擴(kuò)張，而且后者的擴(kuò)張又極大地促進(jìn)了編碼蛋白酶、脂酶和小分泌蛋白等基因的形成。進(jìn)一步分析顯示基因顯著性擴(kuò)張主要發(fā)生在共生型的牛肝菌科中，且在中新世晚期尤為明顯，推測(cè)可能與牛肝菌科物種多樣化進(jìn)程和宿主的協(xié)同演化相關(guān)。多樣性研究專(zhuān)著在Springer出版，獲同行好評(píng)；基因組研究成果在New Phytologist期刊發(fā)表，獲同行正面引用。
9.基于天然產(chǎn)物研究提出并利用新型POSS策略發(fā)現(xiàn)潛在抗新冠病毒分子 該研究中首次提出了挖掘新穎天然骨架潛在應(yīng)用價(jià)值的“Pharmacophore-Oriented Semisynthesis（POSS）”策略。該策略的研究思路在于將天然骨架A的藥效團(tuán)與新穎骨架B相結(jié)合，進(jìn)一步通過(guò)結(jié)構(gòu)修飾與藥理學(xué)研究得到系列活性衍生物。根據(jù)該研究思路，開(kāi)展了針對(duì)冬凌草甲素（oridonin）與新穎二萜maoelactone A的原理證明實(shí)驗(yàn)，即將oridonin的藥效團(tuán)與maoelactone A的新穎骨架相結(jié)合從而得到新穎抗新冠病毒活性分子家族。首次發(fā)現(xiàn)了具新穎5/5/6/6/5環(huán)系的對(duì)映-貝殼杉烷型化合物maoelactone A，完成了10步仿生半合成研究。在化學(xué)合成中，首先利用C-15羥基的酸催化保護(hù)/脫保護(hù)方法實(shí)現(xiàn)了合成過(guò)程中最具挑戰(zhàn)性的C-2位羥化，其次發(fā)展了新穎的沃爾夫重排串聯(lián)內(nèi)酯化（Wolff rearrangement/lactonization cascade，WRLC）反應(yīng)用于一步構(gòu)建目標(biāo)分子的5/5/6/6/5環(huán)系。理論計(jì)算表明WRLC反應(yīng)經(jīng)歷了協(xié)同的沃爾夫重排過(guò)程和水輔助的內(nèi)酯化過(guò)程。將該反應(yīng)應(yīng)用于POSS策略中，在高含量天然產(chǎn)物oridonin中成功實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)藥效團(tuán)與5/5/6/6/5環(huán)系的組裝，并通過(guò)結(jié)構(gòu)修飾及抗新冠病毒活性篩選發(fā)現(xiàn)了系列新型活性分子。該類(lèi)化合物能夠選擇性地抑制SARS-CoV-2 3CLPro酶活，并可能通過(guò)共價(jià)結(jié)合Cys145發(fā)揮抑制活力。所發(fā)現(xiàn)的化合物70在新冠病毒感染的Vero E6細(xì)胞上顯示出極好的抑制活力與較高的選擇性指數(shù)，其EC50值為19 nM，治療指數(shù)值大于1000，均優(yōu)于陽(yáng)性對(duì)照藥瑞德西韋（remdesivir），顯示出了潛在的應(yīng)用前景。以上研究成果在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際著名期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, e202201684）。
10.全球海拔最高的庫(kù)存種子得到有效保藏 中國(guó)西南野生生物種質(zhì)資源庫(kù)（后簡(jiǎn)稱(chēng)“種質(zhì)庫(kù)”）從2021年9月在珠穆朗瑪峰區(qū)域采集到的種子中挑選出不同海拔梯度的鼠麯雪兔子、西藏沙棘等5個(gè)物種開(kāi)展萌發(fā)活力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，包括采自珠峰東絨布冰川流石灘海拔6212米的須彌扇葉芥種子。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這5種植物種子均能很快萌發(fā)，尤其是保藏于種質(zhì)庫(kù)零下20℃冷庫(kù)10個(gè)月后的須彌扇葉芥種子具有淺型生理休眠，低溫冷藏后萌發(fā)率仍達(dá)100%。經(jīng)進(jìn)一步與國(guó)際同行交流，確認(rèn)種質(zhì)庫(kù)有效保存的須彌扇葉芥種子是全球海拔最高的庫(kù)存種子，為這些珍貴種質(zhì)資源的儲(chǔ)備、研究和利用提供了重要支撐。 相關(guān)結(jié)果被《人民日?qǐng)?bào)》《人與自然》、“中科院之聲”、英國(guó)千年種子庫(kù)國(guó)際簡(jiǎn)訊Samara（并被選為2022年封面文章）等國(guó)內(nèi)外媒體報(bào)道，產(chǎn)生了積極的社會(huì)反響，進(jìn)一步體現(xiàn)了我國(guó)生物多樣性保護(hù)工作取得的成效，對(duì)中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施、昆明植物所、種質(zhì)庫(kù)在支撐國(guó)家戰(zhàn)略方面，均起到了良好的宣傳作用。
（責(zé)任編輯：李雪）
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