近日，海南大学南繁学院王守创教授团队与华中农业大学信息学院焦文标教授团队合作在Molecular Horticulture（IF:10）上发表了题为“Haplotype-resolved genome reveals haplotypic variation and the biosynthesis of medicinal ingredients in Areca catechu L.”的研究论文，该研究利用HiFi和Hi-C测序技术，首次完成高质量染色体水平的槟榔单倍型基因组的组装，并揭示其染色体变异和物种进化过程，同时对槟榔中药用活性成分的代谢途径进行了解析。该研究为挖掘热带作物的药用潜力奠定了基础，并为棕榈科及其它热带作物的遗传和应用研究提供了有价值的模型基因组。

槟榔（Areca catechu）属于棕榈科，原产于菲律宾，主要分布在热带地区，包括东非、南亚和东南亚以及太平洋地区。槟榔是重要的中药材，是我国四大南药之一，其富含多种活性成分，如生物碱、黄酮类还有鞣质、脂肪等，具有促进胃肠运动、抗氧化和抗衰老、抗抑郁、抗炎和抑菌等药理作用，可用于治疗疟疾、抑郁症、高血压、高血脂、糖尿病等多种疾病。近年来，已有研究人员使用多组学联合解析了如黄连，红豆杉，罂粟等药用植物中重要代谢物的合成途径。到目前为止，槟榔已报道了两个染色体水平的参考基因组，但仍旧缺乏单倍型染色体间的研究，而且之前的研究主要关注在花的生长发育上，忽略了槟榔中药用活性成分的代谢合成。所以，通过整合基因组，代谢组和转录组解析植物代谢途径对于阐明槟榔中的药物化合物的生物合成至关重要。

为了解析槟榔中生物活性物质的生物合成机制，研究人员构建了一个高质量的有关槟榔两个单倍型解析的基因组（2.45 Gb和2.49 Gb），并发现单倍型染色体间存在大量变异，包括10号、12号、13号三个染色体片段的倒位变异。构建单倍型基因组进一步阐释导致等位基因失衡的等位基因对之间的结构变异（图1）。

图1基因组组装和基因组特征

通过系统发育分析，研究人员确定了槟榔在单子叶植物和棕榈科中的进化位置以及槟榔和椰子，油棕以及海枣共享两个全基因组复制事件（WGDs），此外，研究人员还发现了棕榈科植物进化过程中发生过染色体融合和断裂，并通过紫萍和槟榔染色体间的共线性推断出了六个古代单子叶核型（AMK）（图2）。

图2物种进化分析和祖先单子叶核型构建（AMK）

接着，研究人员发现对于槟榔LTR-RTs的插入在10 Mya左右开始，并在2.5 Mya 内爆发。与椰子相比，槟榔中特异转座子的插入是导致基因组大小的变异的关键因素。然后，研究人员利用代谢组学和转录组学研究槟榔组织中差异积累的代谢物(DAMs)和差异表达的基因(DEGs)。通过研究DAMs和DEGs之间的联系，构建了一个基因-代谢物相互作用网络。这个网络揭示了许多甲基转移酶(MTs)和尿苷二磷酸糖基转移酶(UGTs)参与药物成分的生物合成。最后，研究人员通过分子功能验证实验，研究人员构建了一条槟榔碱生物合成途径，并鉴定了参与将去甲槟榔次碱转化为槟榔碱的AcGNMT，以及一种鼠李糖基转移酶和四种黄酮类葡萄糖基转移酶，它们有助于槟榔中黄酮醇糖苷的多样性（图3）。

图3槟榔中AcGNMT和AcUGT的功能识别

海南大学南繁学院为第一单位，海南大学南繁学院在读博士生汪超，华中农业大学硕士生谭磊、海南大学在读博士生张忠辉和硕士生李湘桂为该论文共同第一作者，海南大学王守创教授、华中农业大学焦文标教授和海南大学杨君副教授为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金以及海南省重点研发计划等项目资助。