我校曾建国教授研究团队完成的“The genome of the medicinal plant Macleaya cordata provides new insights into benzylisoquinoline alkaloids metabolism”（全基因组视野下揭示博落回中异喹啉生物碱合成代谢）于2017年7月5日以长篇幅研究论文（Research Article）的形式在国际知名学术期刊Cell子刊—Molecular Plant (IF: 8.827)上在线发表(图1)。

    研究背景：该团队20余年来一直致力于中药资源博落回长产业链的研究与开发。众所周知，在畜牧业和医疗中抗生素的滥用引发耐药性给公众健康带来严重威胁，自2006年以来，欧盟已立法禁止在动物饲料中添加抗生素作为生长促进剂（AGPs），2017年美国也跟进。相反，一些天然生长促进剂（NGPs）则被广泛地用于添加到动物饲料中替代饲用抗生素。该团队此前已经将博落回中的血根碱 (SAN) 开发出我国首个饲用替抗中兽药药物饲料添加剂产品。博落回中的异喹啉类生物碱（BIAs）具有的调控肠道菌群功能是作为天然生长促进剂的一个重要机制，“抗炎”作用则是预防疾病的重要原因。如与血根碱结构高度相似的小檗碱（也称黄连素）就通常用来治疗痢疾和肠炎，我国科学家赵立平教授和蒋建东教授等对小檗碱的肠道健康以及降糖降脂等作用有深入研究。目前，博落回作为血根碱的最主要的来源植物。随着血根碱等饲用抗生素替代产品市场需求量逐年递增，对这些药用植物资源的需求日益增大，依赖野生资源不现实也影响生态，合成的难度和成本均非常高，且面临环境污染的风险。因此，要实现资源的可持续利用和降低生产成本，生物制造是一个重要选项，如基于活性成分定向培育的种质创新，高效植物细胞表达株系的筛选和构建高效工程化菌实施微生物代谢工程，而目标产物生物合成通路都十分关键。在此大背景下，曾建国教授团队运用基因组, 转录组, 代谢组等多重组学的方法，结合大数据挖掘手段对博落回中主要生物活性成分血根碱与白屈菜红碱 (CHE)等异喹啉类生物碱生源合成途径进行深入研究，挖掘出了参与合成SAN等BIAs的功能基因, 为利用植物代谢工程方法对博落回的资源品质性状进行改良，以期获得高SAN含量的博落回种质资源提供基础支撑。

    历程与成果：曾建国教授2010年启动博落回转录组研究工作并于2013年完成了“转录组，蛋白质组和代谢组数据的整合分析揭示博落回与小果博落回中生物碱的生物合成”，为博落回属植物SAN通路功能基因克隆提供了前期基础数据。

 2010年与北京诺禾致源公司进行基因组研究合作，并于2011年完成了博落回全基因组测序和组装及生物信息分析。是首个获得全基因组数据的罂粟科植物，成果显示博落回基因组大小为540.5Mb，杂合率为0.92%，预测22,328个蛋白质编码基因。由于论证了古多倍化事件在博落回中不存在，进一步证实了遗传学家们对双子叶植物基部可能没有经历古多倍化事件的这个推测。

    完成基因组测序后该团队并没有急于发表，曾建国教授与黄三文研究员进一步合作运用大数据分析结合多重组学继续深入研究博落回中活性化合物SAN和CHE合成通路的功能基因。虽然参与SAN合成的相关基因之前已经在不同罂粟科物种中被验证（如罂粟、花菱草等），但是在一个物种中仅验证了合成中的几步。该项研究是基于博落回全基因组数据，利用同位素示踪与质谱分析技术，提取分离和合成通路中间体作为前体来进行酵母异源表达验证，在博落回中一次性验证了合成通路中的十几步，为基因组数据加速功能基因的挖掘提供了良好借鉴。

该研究证实了博落回的原阿片碱 6-羟化酶（P6H）是已知同类酶中催化效率最高的；采用质谱技术首次证实了博落回中存在全去甲劳丹碱、去甲网脉荔枝碱和6-O-甲基全去甲劳丹碱这3个合成网脉荔枝碱的前体物质，并且通过酵母异源表达验证了经这3种物质合成网脉荔枝碱的功能基因，首次证实Battersby等科学家提出“网脉荔枝碱”合成路径的正确性，对Zenk等科学家否定Battersby等提出的全去甲劳丹碱经6-O-甲基全去甲劳丹碱和去甲网脉荔枝碱合成网脉荔枝碱的结论提出质疑，为高等植物中网脉荔枝碱的生物合成提供了新的解释；还利用同位素示踪和质谱技术推测博落回中可能存在血根碱生源合成新旁路，即从金黄紫堇碱经N-甲基金黄紫堇碱和N-甲基碎叶紫堇碱合成 N-甲基刺罂粟碱的旁路，并通过酵母异源表达试验验证了从金黄紫堇碱合成N-甲基金黄紫堇碱的功能基因；从基因组水平解释了博落回作为罂粟科植物不存在吗啡等违禁成分的原因。

     本项成果多家单位合作并获得了国家自然科学基金尤其是湖南美可达生物资源股份有限公司的大力资助。湖南农业大学博士生刘秀斌，柳亦松博士、博士生黄鹏、中国农业科学院蔬菜花卉所博士生马永硕、湖南中医药大学博士生卿志星、湖南农业大学唐其博士及北京师范大学博士生曹慧芬为论文共同第一作者，湖南农业大学熊兴耀教授、云南师范大学马铃薯科学研究院尚轶研究员、中国农业科学院农业基因组研究所黄三文研究员和湖南农业大学曾建国教授为共同通讯作者。