2023年1月6日，南京中醫藥大學吳啟南教授團隊和英國約克大學Benjamin R Lichman教授團隊在Molecular Plant(中科院1區, IF:21.9)雜志合作在線發表了題為A chromosome-level genome assembly reveals that a bipartite gene cluster formed via an inverted duplication controls monoterpenoid biosynthesis in Japanese catnip的研究論文。南京中醫藥大學吳啟南教授和英國約克大學Benjamin R Lichman教授為該論文的通訊作者，南京中醫藥大學劉潺潺講師、英國約克大學Samuel Smit、南京中醫藥大學博士研究生黨靜潔和周佩娜為論文的共同第一作者。本研究首次報道了唇形科植物裂葉荊芥(藥材名：荊芥；別名：日本貓薄荷)的高質量基因組，破解了(-)-胡薄荷酮生物合成路徑中的關鍵酶基因，并發現了一個包含四步胡薄荷酮生物合成路徑的基因簇。

圖1 薄荷烷類單萜在荊芥和歐薄荷中的生物合成路徑

   荊芥為唇形科裂葉荊芥屬裂葉荊芥Schizonepeta tenuifolia (Benth.) Briq.的地上部分。具有解表散風，透疹，消瘡等功效，為臨床常用中藥。新型冠狀病毒(COVID-19)感染者居家中醫藥干預指引中，治療推薦的銀翹散、荊防顆粒等均使用了荊芥。荊芥的主要藥效物質為揮發油，具有較強的抗炎、抗病毒和抗氧化作用。經課題組前期研究發現荊芥揮發油主要以(-)-胡薄荷酮型的薄荷烷類單萜為主。1990年代，美國科學院院士Rodney Croteau首次破解了歐薄荷中(+)-胡薄荷酮生物合成路徑，但數十年以來，我們對于(-)-胡薄荷酮生物合成的機制尚且未知。本研究首次組裝了裂葉荊芥染色體級別的參考基因組。其中在裂葉荊芥中發現的屬于Old Yellow Enzyme家族的StIPR和在薄荷中屬于Short Double Reductase家族的MlIPR具有相同的催化功能。同時我們發現StIPR可以催化香芹酮生成二氫香芹酮，也完善了歐薄荷中香芹酮的下游合成路徑。但兩者卻分屬于不同的蛋白家族，說明兩個物種中的這一步合成路徑呈現趨同進化。

   結合Hi-C組裝數據，基于近緣植物基因組的微共線性分析，我們發現這類與薄荷烷類單萜生物合成相關的基因簇是裂葉荊芥所特有的，且歐薄荷和裂葉荊芥中LS和L3OH的基因對是獨立進化的，這在趨同進化事件中較為少見。因此，我們對荊芥中薄荷烷類單萜合成相關的基因簇形成機制進行了推演。在LS和L3OH基因對出現之后，IPR基因插入在LS和L3OH基因對中間，然后經歷了反向復制，隨著串聯復制帶來的基因組擴張，最終在裂葉荊芥中形成了特有的(-)-胡薄荷酮生物合成的基因簇(圖2)。

圖2 裂葉荊芥和歐薄荷中基因進化示意圖

   通過高質量的基因組裝，本研究首次發現了基因簇在裂葉荊芥薄荷烷類單萜生物合成中的作用，同時確定了歐薄荷和裂葉荊芥之間趨同進化的關系，是兩種相反手性的薄荷烷類單萜合成關鍵基因功能解析與進化的一個重要突破。唇形科植物的次生代謝產物豐富多樣，具有很高的文化、醫藥和經濟價值，本文為植物代謝進化和物種多樣性的研究提供了可參考模型，為中藥藥效物質基礎生物合成的分子機制研究提供理論和技術支持。

   該研究得到國家自然科學基金(81973435、81903756)、南京中醫藥大學自然科學基因青年項目、江蘇省政府基金、英國UKRI和BBSRC項目的支持。

   論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.01.004