鱼腥草（Houttuynia cordata），又名折耳根、蕺菜，是三白草科蕺菜属中的唯一物种，广泛分布于中国、日本、韩国、印度东北部及东南亚等地区。该植物通常生长在海拔300至2600米的阴湿山坡、路旁和山脊的湿润土壤中，主要通过地下根状茎形成和无性生殖进行繁殖。作为一种药食同源的植物，鱼腥草不仅是云贵川地区的重要蔬菜，其活性成分包括黄酮类化合物、挥发油和多糖，还因其显著的抗病毒、抗菌、抗炎等药理作用而备受关注。在中国的SARS疫情期间，鱼腥草被批准为SARS预防配方中的一种成分，其生物活性化合物具有抑制RdRp酶的潜力，被视为抗SARS-CoV-2药物候选分子。然而，由于缺乏鱼腥草的基因组信息，其体内代谢物生物合成的调控机制尚未见报道。
https://doi.org/10.1016/j.xplc.2024.101075
2024年8月30日，贵州师范大学生命科学学院及西南喀斯特山区生物多样性保护国家林业局重点实验室的杨正婷团队，联合华南农业大学园艺学院的夏瑞教授和浙江大学丽水生命健康创新中心的刘建祥教授，在Plant Communications在线发表了题为“The Houttuynia cordata genome provides insights into the regulatory mechanism of flavonoid biosynthesis in Yuxingcao”的研究论文。该研究成功组装了一个高质量的四倍体鱼腥草基因组（2.24 Gb，76条染色体，4n = 76），并成功拼接了72条染色体的端粒（图1）。
图1. 鱼腥草的形态和基因组特征
为了确定鱼腥草的进化位置，研究团队对21种被子植物进行了比较基因组学分析，涵盖了包括木兰科、真双子叶植物、单子叶植物和基础被子植物在内的多种类群。结果显示，有25个基因家族包含86个特有于鱼腥草的基因。通过选择150个单拷贝同源基因家族构建系统发育树，发现鱼腥草与马兜铃、胡椒和三白草等物种关系最近，特别是与同属三白草科的三白草（Saururus chinensis）的分化时间最短，约为3370万年前（图2A）。进一步的基因家族扩展与收缩分析表明，鱼腥草中有74.0%的基因家族（4974个）发生了扩增，26.0%的基因家族（1752个）发生了收缩。通过KEGG富集分析，扩增的基因家族与苯丙素和色氨酸代谢、硫代葡萄糖苷生物合成、类黄酮生物合成和二萜生物合成等过程密切相关。
全基因组复制（WGD）和重复序列的扩增是物种进化的重要驱动力。先前的研究报告显示，无油樟(Amborella trichopoda）经历了最古老的WGD事件，而黑胡椒（Piper nigrum）经历了独立的WGD事件，马兜铃属（Aristolochia）则未经历独立的WGD事件。为探讨鱼腥草中可能发生的WGD事件，研究团队分析了鱼腥草与其他四个物种之间的同源基因对的同义替换率（Ks）。结果显示，鱼腥草与无油樟、马兜铃及三白草之间的Ks峰值分布与其预测的进化关系一致，依次从最远到最近（图2B），且鱼腥草在进化过程中经历了3个WGD事件（Ks = 1.22、0.16、0.01），其中最近的WGD事件（Ks = 0.01）是一次多倍化事件，导致鱼腥草从二倍体物种进化为四倍体物种（图2C-D）。
图2. 鱼腥草基因组的系统发育分析及全基因组复制
鱼腥草素（Houttuynin），又称癸酰乙醛，是鱼腥草特有的“鱼腥味”化合物。其水溶性衍生物鱼腥草素钠（Sodium Houttuyfonate, SH）不仅高度稳定，还具有重要的药用价值，但目前主要通过体外合成获得。研究团队使用超高效液相色谱-飞行时间质谱联用技术（UPLC-Q-TOF/MS）分析，首次检测到SH在鱼腥草根状茎（rhizomes）和叶片（leaves）中的存在，且根状茎中SH的浓度显著高于叶片。与典型的次生代谢物不同，Houttuynin的独特化学结构表明其可能通过脂肪酸氧化途径合成。研究提出了鱼腥草素的可能合成途径，包括棕榈酸转化为棕榈酰辅酶A，经过β-氧化形成癸酰辅酶A，进一步转化为癸酸，再通过一系列酶促反应最终合成Houttuynin和SH（图3）。为深入理解根状茎和叶片中Houttuynin合成的差异，研究团队进行了鱼腥草脂肪酸生物合成途径相关酶编码基因的转录组分析，发现了49个可能参与该过程的差异表达基因（DEGs），其中17个基因上调，32个基因下调。该发现为Houttuynin的生物合成及其药用应用提供了宝贵的见解。
图3. 鱼腥草中鱼腥草酸钠的生物合成途径
槲皮素因其卓越的抗氧化性能而备受关注。研究显示，鱼腥草不同组织的抗氧化活性存在显著差异（P<0.05），其中叶片和花序的抗氧化能力明显高于根状茎和苞片（图4A）。通过LC-MS代谢组学分析，研究发现槲皮素的糖苷形式（如异槲皮苷、芦丁、金丝桃苷、白麻苷和槲皮苷）在叶片、花序和苞片中显著富集，而在根状茎中的含量最低（图4B）。这一发现表明，鱼腥草的不同部位在积累这些化合物方面具有各自独特的功能。研究进一步分析了与槲皮素糖苷形成相关的糖基转移酶（UGT）基因的表达水平，以揭示其在不同组织中的作用机制（图4C）。
图4. 鱼腥草中槲皮素的代谢途径
此外，研究团队还测定了鱼腥草各组织的总黄酮含量，结果显示叶片、花序和苞片的总黄酮含量较高，而根状茎中含量最低。通过全面的靶向代谢组学方法，研究鉴定出鱼腥草中富含的212种类黄酮代谢物，其中黄酮醇和黄酮分别占鉴定中总黄酮的32%和31%。转录组学分析揭示了76个与类黄酮生物合成途径密切相关的保守酶编码基因，并通过WGCNA分析（图5A）确定了7个参与类黄酮生物合成的候选酶基因和25个关键转录因子（图5B-D）。最终，通过选取MYB_2和AP2_2进一步亚细胞定位和qRT-PCR分析，发现它们定位于细胞核，并且在鱼腥草的花序中高表达(图5E和5F)，这与黄酮类代谢物的富集模式一致。该研究为深入理解鱼腥草的基因组特征及其黄酮类化合物的生物合成调控机制提供了新的见解，对鱼腥草的药用开发具有重要意义。
图5. 类黄酮生物合成途径基因的共表达网络分析
贵州师范大学生命科学学院西南喀斯特山区生物多样性保护国家林业局重点实验室杨正婷教授、华南农业大学园艺学院亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室夏瑞教授，以及浙江大学丽水生命与健康创新中心刘建祥教授为该论文的共同通讯作者。贵州师范大学生命科学学院2022级研究生何发银和华南农业大学园艺学院2021级研究生麦迎晓为该论文的共同第一作者。非常感谢宾夕法尼亚州立大学的马红教授为本研究的讨论提供了有益的帮助。该研究得到了国家自然科学基金、贵州省教育厅自然科学基金、喀斯特山区生态安全工程研究中心、国家自然科学基金与贵州省喀斯特科学研究中心联合基金的资助。
