三叶崖爬藤（Tetrastigma hemsleyanum）是葡萄科崖爬藤属多年生草质藤本植物，块根或全草入药，也称三叶青。《本草纲目》记载“三叶青，性味苦、辛、凉，清热解毒、活血祛风”，现代药理研究亦证实，其在抗病毒、抗氧化、免疫调节以及抗肿瘤等方面均有疗效。目前，三叶青已被列为新“浙八味”中药材培育品种之一，是浙江省新冠肺炎一号方“化湿宣肺合剂”的主要成分。武汉植物园东亚植物演化、保护与利用学科组邱英雄研究员团队近日以“Chromosome-level reference genome of Tetrastigma hemsleyanum (Vitaceae) provides insights into genomic evolution and the biosynthesis of phenylpropanoids and flavonoids”为题在《The Plant Journal》发表了三叶青研究论文。该论文基于Illumina、PacBio long reads和Hi-C测序技术相结合的组装策略获得了三叶青高质量参考基因组，解析了其基因组进化特征；结合转录组和代谢组数据，阐明了苯丙烷-黄酮类代谢途径合成基因的重复模式及其与表达量的相关性；基于群体重测序分析，解析了黄酮类代谢产物在不同谱系分化的遗传基础。
研究结果发现，三叶青基因组大小为~2.19Gb，是葡萄属物种的4~5倍。基因组中73.43%为重复序列，其中长末端重复反转座子（LTR-RTs）占基因组的69%。三叶青和葡萄属植物同样只经历1次gamma全基因组复制事件，而LTR-RTs尤其是Copia和Gypsy家族在三叶青基因组扩张中发挥了主要原因。基因家族分析表明，三叶青特有基因家族和扩张基因家族主要与多种活性成分如黄酮类、萜类、芪类、脂肪酸、生物碱等合成有关，还有一些基因则参与植物的防御、响应环境胁迫以及昼夜节律调节等，这可能与三叶青具有较强的环境适应性有关。
为了全面解析三叶青的代谢物组成，研究团队利用LC-MS 技术对三叶青的不同组织（根、茎、叶）进行检测，共检测到941种化合物，其中黄酮类多达148种。由于黄酮类物质是三叶青的主要有效成分，研究团队结合基因组和转录组数据，通过同源比对和结构域鉴定方法解析了代谢途径中的关键酶基因家族和转录因子，重构了三叶青的苯丙烷-黄酮类合成途径。同时，我们发现通路中的大部分关键酶基因家族如PAL、CHS、CHI相比葡萄属物种发生了显著的扩张，扩张主要来源于串联重复。此外，我们还发现这些重复基因存在一致性高表达的现象，可能促进了下游代谢物的合成与积累。对来自同质园中两个谱系代表性地区（西南谱系：广西；中东部谱系：浙江）的块根进行了转录组和代谢组分析，结果显示来自浙江的三叶青块根含有更多的次生代谢产物如黄酮、多糖、萜类等。研究团队进一步对来自这两个谱系的38份样本进行了重测序和群体基因学分析，在谱系间高分化区域内鉴定到一系列与性状发育、响应外界刺激及苯丙烷-黄酮类合成途径相关的基因，可能促进了东西谱系重要表型（如块根大小、代谢产物含量）的分化。
本研究结果为探明三叶青药用活性成分的生物合成和调控机制奠定了基础，也为三叶青野生资源的引种、驯化和育种提供了指导。浙江大学博士后朱珊珊（现为宁波大学副研究员）、博士生张心怡和任超前为论文共同第一作者，中国科学院武汉植物园邱英雄研究员为论文通讯作者，浙大生科院傅承新教授、中国科学院植物所洪德元院士在项目设计与实施过程中给予了指导。研究得到浙江省十四五育种专项、浙大-杭州三叶青公司校企合作等项目的支持。
图1 三叶青与葡萄属物种基因组大小和重复序列占比的差异
图2 三叶青中苯丙烷代谢通路以及编码酶的基因在不同组织中的表达
图3（a）苯丙烷通路中编码酶的基因在三叶青、葡萄、河岸葡萄和拟南芥中的拷贝数；（b）PAL；（c）CHS和STS；（d）CHI系统发育分析
图4 （a）CSE谱系根与叶的形态；（b）SW谱系根与叶的形态；（c）在CSE（ZJ）和SW（GX）谱系分别上调表达的代谢物的KEGG富集分析结果；（d）SW和CSE谱系Z-FST曼哈顿图，蓝色实线表示Z-FST >2, 红色标注是苯丙烷通路中基因
