日本的研究人員已經(jīng)生成了紅紫蘇 (Perilla frutescens) 的高質(zhì)量基因組組裝，這是一種在亞洲最常見的植物，在日本通常被稱為 Aka-Shiso，在英國和美國因其深紅色而被稱為牛排植物樹葉。高質(zhì)量的基因組組裝將使科學(xué)家能夠利用植物豐富的潛在有用的生物活性化學(xué)物質(zhì)，其中包括紫蘇醛和迷迭香酸。

一些 P. frutescens 的生物活性化學(xué)物質(zhì)被認(rèn)為具有藥用特性。迷迭香酸已被廣泛用作補(bǔ)充劑，聲稱具有抗炎、抗抑郁、抗真菌和抗菌等特性，僅舉幾例。紫蘇醛在這些用途上顯示出類似的潛力，并且有一些醫(yī)學(xué)證據(jù)支持這些用途，盡管植物化學(xué)補(bǔ)充劑市場仍然大部分不受監(jiān)管。

由廣島大學(xué)生命綜合科學(xué)研究科教授 Hidemasa Bono 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最近發(fā)表了他們的研究結(jié)果。根據(jù)該論文的作者，高質(zhì)量的基因組組裝現(xiàn)在可以作為選擇 P. frutescens 基因組編輯目標(biāo)基因的參考。

該研究小組的研究結(jié)果于 2022 年 11 月 16 日發(fā)表在DNA Research上。

研究人員選擇了 P. frutescens，它是薄荷科唇形科的一員，因為它因其異常廣泛的生物活性植物化學(xué)物質(zhì)而被廣泛認(rèn)為是一種重要的草本植物。已經(jīng)在植物中鑒定出幾種用于化合物迷迭香酸和紫蘇醛的生物合成的酶。

“為提供更好的性狀而對紅紫蘇進(jìn)行基因組編輯是更有效地利用這種植物的一種有前途的方法，”Bono 說。“要做到這一點，目標(biāo)物種的高質(zhì)量基因組序列是必要的。”

CRISPR-Cas9 等基因組編輯工具已被用于設(shè)計植物中的生物合成途徑，有效地招募植物來生產(chǎn)制造新藥和現(xiàn)有藥物所需的化合物。研究作者引用了另一個最近的靶向基因編輯例子，即番茄果實，它可以通過這種方式被招募來產(chǎn)生 GABA(γ-氨基丁酸)。

研究人員使用了 Hoko-3，一種特殊的 P. frutescens 菌株。本研究中提供的數(shù)據(jù)表明，Hoko-3 在植物與植物之間具有高度遺傳相似性，部分原因是它是一種自花授粉作物，使其成為靶向基因編輯的理想候選者。使用 Genomic-tip 套件從水培法生長的幼葉中提取遺傳物質(zhì)。他們多次使用 PacBio 的 Sequel IIe 測序儀對 DNA 進(jìn)行測序，共識構(gòu)建軟件幫助他們以非常高的分辨率生成連續(xù)序列。

“我們使用 PacBio HiFi 讀取實現(xiàn)了日本馴化的紅紫蘇的高度連續(xù)基因組組裝，”第一作者 Keita Tamura 說。“我們將 99.2% 的組裝錨定到 20 條假染色體中，其中 7 條假染色體由一個連續(xù)片段組成。使用為植物開發(fā)的系統(tǒng)功能注釋工作流程稱為‘Fanflow4Plants’，我們對 76,825 個蛋白質(zhì)編碼基因中的 72,983 個基因進(jìn)行了功能注釋。”

為了注釋基因組裝配中的基因，使用了兩個互補(bǔ)的過程，每個過程在測序方面都具有獨特的優(yōu)勢，并將數(shù)據(jù)組合在一起。“本研究通過結(jié)合兩個循證注釋和基因預(yù)測方法(BRAKER2)注釋的基因模型數(shù)量為86,258個，幾乎是之前組裝的P. frutescens基因組(43,527個基因)的兩倍，接近基因數(shù)量在另一種唇形科四倍體物種 Salvia splendens(88,489 個基因)中有報道，”Tamura 和他的合著者寫道。

既然研究人員擁有了 Hoko-3 的高質(zhì)量基因組組裝，他們就可以繼續(xù)下一步以釋放植物的獨特潛力。

“在這項研究中獲得的基因組組裝和功能注釋將用于挖掘紅紫蘇基因組編輯的目標(biāo)基因，”Tamura 說。“有可能增加植物內(nèi)有價值的植物化學(xué)物質(zhì)的積累。”

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