鸦片罂粟和它的基因组特征 Carol Walker供图
■本报记者 李晨阳 张行勇
鸦片罂粟是一种令人爱恨交织的生物。它有着艳丽明媚的花朵，能产生具有镇痛、止咳甚至抗癌作用的化学物质。但众所周知，它也是毒品吗啡的来源。
罂粟的复杂性还体现在分子层面上，它的基因组中存在大量（约70%）重复序列，还经历过多次大规模的结构变异，这让破译罂粟基因组成为困扰科学家的世界性难题。
北京时间8月31日，由西安交通大学叶凯教授领衔的中英科学家团队在《科学》上发表论文，首次公布了鸦片罂粟的高质量全基因组序列，还揭开了吗啡合成背后的奥秘。
中英科学家打好了一副牌
2016年4月，叶凯青年科学家工作室在西安交大成立了，这个团队一直致力于基因组信息学和生物医学的前沿交叉研究。在国际交流会议上，他们结识了英国约克大学的院士Ian Graham 教授。
Graham教授是全球著名的植物生物化学家，研究两种中国人非常熟悉的植物——鸦片罂粟和青蒿。
“我们一见面，就非常聊得来，很快决定开展合作研究。”叶凯笑着对《中国科学报》记者说，“现在证明这是个正确的决定，因为单凭任何一方都无法把这项工作做好。”
罂粟的基因组大小与人类基因组差不多，但是重复序列的比例要远远高于人类——这给科学家们带来了很大的挑战。
“你可以把基因组想象成扑克牌。”叶凯说，“如果把两副或以上相同的扑克牌放在一起洗乱，通过片段化数据再要把这些扑克牌的顺序计算出来，就困难多了。”
事实上，他们面临的问题更加复杂。现有技术只能测出片段化的基因序列，要把这些片段组装起来，才能得到完整的基因组信息。
大量重复序列就意味着，研究人员不得不面对许许多多看起来非常相似的基因片段，然后硬着头皮把它们区分开来，按顺序排成一条长长的队。
叶凯的团队有着扎实的组学研究基础，掌握前沿的基因测序技术，同时擅长处理浩如烟海的生物学大数据。而Graham教授团队对鸦片罂粟的遗传基因、代谢途径等有着深入认识，在基因组组装过程中，他们提供的罂粟染色体遗传标记发挥了关键作用。
揭秘罂粟的跌宕生涯
罂粟究竟经历了什么，才演化出这么复杂的基因组呢？答案就在这篇论文里。
罂粟是一种原始的双子叶植物。为了搞清它的系统发育历程，研究人员把它的基因组同耧斗菜、莲花、葡萄等双子叶植物基因组进行了比较。后面这几种植物的基因组序列已经公布，因此可以作为年代“标尺”，帮助科学家对罂粟演化历程中的重大事件进行定位。
他们发现，罂粟基因组在距今780万年发生了一次全基因组加倍事件，在距今至少1.1亿年发生过基因组片段的加倍事件。
“罂粟在植物演化谱系中所处的位置很重要。我认为这些成果可以为其他双子叶植物的研究提供参考。”未参与这一研究的中国科学院植物所研究员焦远年告诉《中国科学报》记者。
在植物中，基因组的加倍事件较为普遍，也是植物适应环境胁迫的重要方式之一。科学家早就发现在恐龙大灭绝的时代，很多植物经历了基因组加倍。“不过780万年前，是什么让罂粟的全基因组发生了加倍，我们还不清楚。”叶凯说。
由于各种基因组结构变异的叠加积累，罂粟用来合成止咳那可丁和镇痛吗啡类生物碱的15个基因在11号染色体上形成了超级基因簇。
这个超级基因簇在罂粟的根、茎部特异表达并且共表达，最终赋予罂粟神奇的能力：高效合成那可丁和吗啡等次生代谢产物。
“恶之花”有望洗成“白莲花”？
“近几十年来，生物化学家一直对地球上的植物如何衍变和产生如此丰富的次生代谢产物充满好奇。我非常高兴能够参与这个项目，利用高质量基因组破译罂粟中合成次生代谢产物的奥秘。”Graham教授说，“这对开发分子植物育种工具，培育新品种具有重要意义，可用于产生可靠、廉价、有效的止痛药，造福全人类。”
罂粟的次生代谢产物成分复杂多样，要把可以镇痛的吗啡类生物碱和可以止咳的那可丁分离出来，需要一系列提纯操作。科学家们正在思考，能否通过分子育种技术，得到只产生单一产物的新型植株，这样既提高了产量，又降低了成本。
“更重要的一点在于，鸦片罂粟是一种受控制的作物，只能在由国家保护管控的地区种植。”叶凯进一步说，“如果我们能培育出只产生止咳物质、而不能使人成瘾的株系，那么这些植物就可以种到更广阔的地方去。”
焦远年表示，这项工作具有一定的开创性意义。“在研究植物基因组的同时，又能为医学等其他学科提供有用的信息，展现出一定的应用前景——这体现了多学科交叉融合发展的大趋势。”他说。
相关论文信息：http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/29/science.aat4096
《中国科学报》 (2018-09-03 第1版 要闻)
