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新聞動態(tài)
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工作進展
近日，中國科學院昆明植物研究所“2022年度十大進展”揭曉。本次評選通過各部門推薦，共推選出14項重要進展。經(jīng)網(wǎng)絡投票、研究所學術委員會最終評議，評選出昆明植物所“2022年度十大進展”?，F(xiàn)將評選結果公布如下：其中，進展第1-3項并列，排名不分先后；第4-6項并列，排名不分先后；7-8項并列，排名不分先后。  1.寄生植物列當基因組演化模式被解析 列當科是唯一同時包含自養(yǎng)植物和多種不同寄生程度植物的類群，是討論植物寄生性起源與演化的理想對象。吳建強團隊對列當科綠春鐘萼草（Lindenbergia luchunensis，自養(yǎng)）、向日葵列當和埃及列當（Orobanche cumana，Phelipanche aegyptiaca，全寄生）進行了全基因組測序，并與已發(fā)表的兼性半寄生松蒿（Phtheirospermum japonicum）和馬先蒿（Pedicularis cranolopha），以及專性半寄生獨腳金（Striga asiatica）進行了比較分析。研究結果發(fā)現(xiàn)，與寄生植物菟絲子獲得寄生習性后基因組收縮不同，列當科的寄生植物隨著寄生習性的加深，基因組更大，基因數(shù)量更多。其中吸器相關基因發(fā)生了多輪擴張，不僅與古基因組加倍事件相關，也涉及各寄生植物的獨立演化過程。另一方面，自養(yǎng)植物中保守的基因隨寄生習性的增加也經(jīng)歷劇烈丟失，超過一半的丟失與不同起源的菟絲子趨同，展現(xiàn)出寄生習性下基因組演化的方向性。該研究1）首次對單一起源且不同寄生習性的植物類群進行的大規(guī)模比較基因組學分析，發(fā)現(xiàn)了多個與寄生性相關的重要進化事件；2）以組學數(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寄主的適應性；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，也是植物化學這門學科起源的代表性天然產(chǎn)物之一。一百多年來，全球的科學家經(jīng)不懈努力解析了其生物合成的部分途徑，但可卡因化學結構中基本骨架的生物合成仍然未知，成為一個懸而未決的百年科學問題。黃勝雄專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展： （1）闡明了可卡因基本骨架的生物合成機制，其涉及一個不穩(wěn)定的芽子酮酸中間體。同時，通過在煙草葉片中瞬時表達六個基因實現(xiàn)了可卡因的異源合成（JACS, 2022, 144, 22000, 封面論文）。這是首次由中國人領導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多個國際媒體和科普期刊的報道，包括國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負責可卡因合成的聚酮合酶。創(chuàng)新性地結合結構生物學和系統(tǒng)發(fā)育樹等揭示了古柯科和茄科中基因獨立進化而蛋白功能趨同的獨特進化現(xiàn)象（Nat Commun, 2022, 13, 4994）。 （3）此外，黃勝雄專題組發(fā)現(xiàn)了托酚酮吡啶生物堿中罕見的催化非區(qū)域和非手性選擇性的新型黃素依賴酶，為多功能氧化還原酶的設計提供了新視角（Angew Chem, 2022, 61, e202200189）。
3.揭示毒蘑菇鵝膏環(huán)肽毒素的生源合成機制 有毒蘑菇對人類健康常常造成威脅，但同時也是重要藥物和功能分子的來源。含有鵝膏環(huán)肽毒素的劇毒鵝膏屬真菌，被稱為“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有，在親緣關系很遠的環(huán)柄菇屬和盔孢傘屬中，也有能產(chǎn)生這類毒素的真菌。 昆明植物所楊祝良專題組發(fā)現(xiàn)兩個鵝膏環(huán)肽合成新的關鍵基因P450-29和FMO1，將已知毒素合成基因從原來的2個增加到了4個。此外，新發(fā)現(xiàn)的關鍵基因為不同的加氧酶，負責在鵝膏環(huán)肽毒素的關鍵位點引入氧原子。若缺少這些氧原子，將導致毒素的活性下降1000倍以上。 研究首次證實，雖然在蘑菇目中鵝膏、盔孢傘、環(huán)柄菇間的親緣關系較遠，但其產(chǎn)生鵝膏環(huán)肽毒素的遺傳學基礎是一致的，均由相似的基因控制。但在進化長河中，上述三大類蘑菇中的毒素合成能力卻發(fā)生了翻天覆地的變化。 該研究通過建立目前全球唯一的劇毒鵝膏基因組平臺，構建了鵝膏屬、盔孢傘屬和環(huán)柄菇屬中13個劇毒物種的基因組數(shù)據(jù)庫，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，并對鵝膏環(huán)肽生源合成途徑有了更為深入的認識。相關研究成果發(fā)表在《美國科學院院刊》（PNAS）。
4.昆明植物所再添三家省級科技創(chuàng)新平臺 今年，昆明植物所再添三家省級科技創(chuàng)新平臺：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)展和改革委員會批復；云南省作物野生近緣種現(xiàn)代組學重點實驗室、滇東南熱帶山地森林生態(tài)系統(tǒng)云南省野外科學觀測研究站獲云南省科學技術廳批復。新增的三個平臺將分別在攻關制約云南花卉產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量多元化發(fā)展的品種和關鍵核心技術、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)科學數(shù)據(jù)監(jiān)測分析研究發(fā)揮重要作用,提升科研創(chuàng)新能力，促進區(qū)域的鄉(xiāng)村振興和生態(tài)文明戰(zhàn)略實施。 目前，昆明植物所省級科技創(chuàng)新平臺已基本形成規(guī)模和相對完整的體系，包括云南省重點實驗室5個、云南省野外科學觀測研究站5個、云南省工程研究中心1個，這些科技平臺的建設對昆明植物所重組研發(fā)鏈條、提升凝練新學科方向、支撐昆明植物所相關學科領域的發(fā)展和人才團隊的培養(yǎng)具有重要意義。
5.新靶點抗凝藥物LFG-53/YB209獲國家藥監(jiān)局臨床試驗批準 血栓栓塞性疾病是全球首位致死原因，抗凝藥物是臨床預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致嚴重出血危險的缺陷。近來研究顯示，內(nèi)源性凝血因子與病理性血栓形成密切相關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。 昆明植物所科研團隊以天然來源的巖藻糖化糖胺聚糖為先導化合物，基于綜合的化學和藥理學研究，發(fā)現(xiàn)了一系列選擇性的內(nèi)源性因子X酶(iXase)抑制劑，經(jīng)系統(tǒng)成藥性分析選擇以LFG-53/YB209為目標成分。臨床前研究顯示，LFG-53/YB209具有相對于現(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)勢特點,為強效和選擇性的iXase抑制劑，其藥理學靶點機制不同于現(xiàn)有臨床抗凝藥物，屬于“First-In-Class”類新藥。 由昆明植物所原研、研究所聯(lián)合九芝堂股份有限公司開展LFG-53/YB209新靶點抗凝新藥研發(fā)，于2021年獲得美國FDA簽發(fā)的臨床試驗書面通知(IND 153593)。2022年收到國家藥監(jiān)局藥物臨床試驗批準通知書(受理編號：CXSL2200305)。LFG-53/YB209為我國完全自主知識產(chǎn)權的新藥成果，對臨床抗凝抗血栓治療具有重要意義。
6.隱藏的COP1突變是茉莉酸信號相關myc突變體早花的關鍵遺傳基礎 茉莉酸（Jasmonic acid，JA）是植物體內(nèi)一類重要的脂質(zhì)激素，在植物抵御生物/非生物脅迫及生長發(fā)育過程中具重要調(diào)控作用。2017年報導的茉莉酸通過轉錄因子MYC2/3/4調(diào)控植物開花，被認為是當年中國植物激素領域取得的重要研究進展。然而，應用同一套突變體材料，昆明植物所胡金勇專題組發(fā)現(xiàn)，突變體中還存在一個未報道過的COP1（Constitutively Photomorphogenic 1）基因的點突變（命名為cop1-21）；突變體的早花表型與MYC2/3/4基因無關，而是由cop1-21突變導致的。 COP1編碼一種E3泛素連接酶，是植物光形態(tài)建成和開花時間調(diào)控等重要生物學過程的關鍵基因。cop-21點突變導致COP1蛋白第648位的絲氨酸（S）變?yōu)樘於０罚?/font>N）。與福建農(nóng)林大學崔海濤教授團隊合作發(fā)現(xiàn)，該突變嚴重影響了COP1與FT上游的反式作用調(diào)控因子CO（CONSTANS）的互作，導致CO蛋白積累，FT表達水平提高，進而導致擬南芥顯著早花。 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關于MYC轉錄因子調(diào)控開花時間的混亂局面，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WD40結構域的cop1-4和在WD40結構域之前發(fā)生同框插入突變的cop1-6不同，cop1-21突變位于COP1的WD40結構域內(nèi)，突變體顯著早花，但無明顯植株矮小等發(fā)育缺陷，從而具有重要應用潛力，為進一步深入解析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制。自1993年首個Jinwei新基因被發(fā)現(xiàn)以來，新基因演化機制研究就一直是基因組學研究的熱點領域。經(jīng)過30余年的研究，新基因形成被分成重頭起源、返轉錄轉座、基因融合與斷裂等多種機制。其中，由兩個或兩個以上母基因形成的融合新基因，可以通過序列重排而將不同功能結構域進行組合來產(chǎn)生新的結構和功能以助力物種的適應性演化，是一種重要的新基因演化機制。但融合新基因因其結構復雜且往往快速變異，是新基因鑒定研究中的一個難點。 在此背景下，中國西南野生生物種質(zhì)資源庫章成君研究員、周艷麗博士及合作團隊提出了基于系統(tǒng)發(fā)育框架的動態(tài)鑒定融合基因的分析流程并開發(fā)了鑒定工具GriffinDetector。研究團隊利用稻屬多個基因組數(shù)據(jù)，通過動態(tài)劃分類群，定義長短元件等步驟，鑒定到310個融合基因并對其起源速率、起源模式和基因表達特征進行了研究，結果表明大部分鑒定得到的融合基因具有生物學功能。基因編輯等相關實驗表明，融合基因07g28390、09g15430對種子萌發(fā)和根長等表型有顯著影響，并對干旱等脅迫響應明顯，表明該融合基因可能與逆境適應性相關。該項研究為在大數(shù)據(jù)時代進一步開展融合基因研究奠定了方法和理論基礎。論文發(fā)表在國際知名期刊Genome Biology上。
8.牛肝菌多樣性及其基因組進化機制研究 牛肝菌作為真菌中的明星類群，因其重要的經(jīng)濟和生態(tài)價值，一直備受關注，但因形態(tài)多樣、結構繁雜、物種豐富，也一直是真菌中的困難類群。盡管我國幾代真菌學家對它開展過大量研究，但我國該科物種多樣性依然不清楚。昆明植物所楊祝良專題組結合形態(tài)、分子和生態(tài)等證據(jù)，對我國牛肝菌科物種多樣性進行了攻關研究。通過多年努力，完成了我國該科的首部英文分類學專著，發(fā)現(xiàn)廣義粉孢牛肝菌類真菌在我國具有很高的多樣性，至少包括19屬105種，其中含2新屬，34個新種。為揭示牛肝菌科物種多樣性高的基因組進化機制，研究團隊首次對不同營養(yǎng)方式的牛肝菌目物種進行了系統(tǒng)發(fā)育基因組和比較基因組學分析，發(fā)現(xiàn)牛肝菌目物種從腐生向共生營養(yǎng)方式轉變過程中，盡管降解植物木質(zhì)纖維素的關鍵酶基因發(fā)生了顯著性丟失，但轉座元件卻相反地發(fā)生了明顯擴張，而且后者的擴張又極大地促進了編碼蛋白酶、脂酶和小分泌蛋白等基因的形成。進一步分析顯示基因顯著性擴張主要發(fā)生在共生型的牛肝菌科中，且在中新世晚期尤為明顯，推測可能與牛肝菌科物種多樣化進程和宿主的協(xié)同演化相關。多樣性研究專著在Springer出版，獲同行好評；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用價值的“Pharmacophore-Oriented Semisynthesis（POSS）”策略。該策略的研究思路在于將天然骨架A的藥效團與新穎骨架B相結合，進一步通過結構修飾與藥理學研究得到系列活性衍生物。根據(jù)該研究思路，開展了針對冬凌草甲素（oridonin）與新穎二萜maoelactone A的原理證明實驗，即將oridonin的藥效團與maoelactone A的新穎骨架相結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。在化學合成中，首先利用C-15羥基的酸催化保護/脫保護方法實現(xiàn)了合成過程中最具挑戰(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）反應用于一步構建目標分子的5/5/6/6/5環(huán)系。理論計算表明WRLC反應經(jīng)歷了協(xié)同的沃爾夫重排過程和水輔助的內(nèi)酯化過程。將該反應應用于POSS策略中，在高含量天然產(chǎn)物oridonin中成功實現(xiàn)了目標藥效團與5/5/6/6/5環(huán)系的組裝，并通過結構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。該類化合物能夠選擇性地抑制SARS-CoV-2 3CLPro酶活，并可能通過共價結合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)于陽性對照藥瑞德西韋（remdesivir），顯示出了潛在的應用前景。以上研究成果在線發(fā)表于國際著名期刊《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, e202201684）。
10.全球海拔最高的庫存種子得到有效保藏 中國西南野生生物種質(zhì)資源庫（后簡稱“種質(zhì)庫”）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個物種開展萌發(fā)活力檢測實驗，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。實驗結果表明這5種植物種子均能很快萌發(fā)，尤其是保藏于種質(zhì)庫零下20℃冷庫10個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100%。經(jīng)進一步與國際同行交流，確認種質(zhì)庫有效保存的須彌扇葉芥種子是全球海拔最高的庫存種子，為這些珍貴種質(zhì)資源的儲備、研究和利用提供了重要支撐。 相關結果被《人民日報》《人與自然》、“中科院之聲”、英國千年種子庫國際簡訊Samara（并被選為2022年封面文章）等國內(nèi)外媒體報道，產(chǎn)生了積極的社會反響，進一步體現(xiàn)了我國生物多樣性保護工作取得的成效，對中國科學院、國家重大科技基礎設施、昆明植物所、種質(zhì)庫在支撐國家戰(zhàn)略方面，均起到了良好的宣傳作用。
（責任編輯：李雪）
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