罌粟天賦異稟，誰知道它經歷了什麼

鴉片罌粟和它的基因組特徵 Carol Walker供圖

■本報記者 李晨陽 張行勇

鴉片罌粟是一種令人愛恨交織的生物。它有著艷麗明媚的花朵，能產生具有鎮痛、止咳甚至抗癌作用的化學物質。但眾所周知，它也是毒品嗎啡的來源。

罌粟的複雜性還體現在分子層面上，它的基因組中存在大量（約70%）重複序列，還經歷過多次大規模的結構變異，這讓破譯罌粟基因組成為困擾科學家的世界性難題。

北京時間8月31日，由西安交通大學葉凱教授領銜的中英科學家團隊在《科學》上發表論文，首次公布了鴉片罌粟的高品質全基因組序列，還揭開了嗎啡合成背後的奧秘。

中英科學家打好了一副牌

2016年4月，葉凱青年科學家工作室在西安交大成立了，這個團隊一直致力於基因組資訊學和生物醫學的前沿交叉研究。在國際交流會議上，他們結識了英國約克大學的院士Ian Graham 教授。

Graham教授是全球著名的植物生物化學家，研究兩種中國人非常熟悉的植物——鴉片罌粟和青蒿。

「我們一見面，就非常聊得來，很快決定開展合作研究。」葉凱笑著對《中國科學報》記者說，「現在證明這是個正確的決定，因為單憑任何一方都無法把這項工作做好。」

罌粟的基因組大小與人類基因組差不多，但是重複序列的比例要遠遠高於人類——這給科學家們帶來了很大的挑戰。

「你可以把基因組想像成撲克牌。」葉凱說，「如果把兩副或以上相同的撲克牌放在一起洗亂，通過片段化數據再要把這些撲克牌的順序計算出來，就困難多了。」

事實上，他們面臨的問題更加複雜。現有技術只能測出片段化的基因序列，要把這些片段組裝起來，才能得到完整的基因組資訊。

大量重複序列就意味著，研究人員不得不面對許許多多看起來非常相似的基因片段，然後硬著頭皮把它們區分開來，按順序排成一條長長的隊。

葉凱的團隊有著紮實的組學研究基礎，掌握前沿的基因測序技術，同時擅長處理浩如煙海的生物學大數據。而Graham教授團隊對鴉片罌粟的遺傳基因、代謝途徑等有著深入認識，在基因組組裝過程中，他們提供的罌粟染色體遺傳標記發揮了關鍵作用。

揭秘罌粟的跌宕生涯

罌粟究竟經歷了什麼，才演化出這麼複雜的基因組呢？答案就在這篇論文裡。

罌粟是一種原始的雙子葉植物。為了搞清它的系統發育歷程，研究人員把它的基因組同耬鬥菜、蓮花、葡萄等雙子葉植物基因組進行了比較。後面這幾種植物的基因組序列已經公布，因此可以作為年代「標尺」，幫助科學家對罌粟演化歷程中的重大事件進行定位。

他們發現，罌粟基因組在距今780萬年發生了一次全基因組加倍事件，在距今至少1.1億年發生過基因組片段的加倍事件。

「罌粟在植物演化譜系中所處的位置很重要。我認為這些成果可以為其他雙子葉植物的研究提供參考。」未參與這一研究的中國科學院植物所研究員焦遠年告訴《中國科學報》記者。

在植物中，基因組的加倍事件較為普遍，也是植物適應環境脅迫的重要方式之一。科學家早就發現在恐龍大滅絕的時代，很多植物經歷了基因組加倍。「不過780萬年前，是什麼讓罌粟的全基因組發生了加倍，我們還不清楚。」葉凱說。

由於各種基因組結構變異的疊加積累，罌粟用來合成止咳那可丁和鎮痛嗎啡類生物鹼的15個基因在11號染色體上形成了超級基因簇。

這個超級基因簇在罌粟的根、莖部特異表達並且共表達，最終賦予罌粟神奇的能力：高效合成那可丁和嗎啡等次生代謝產物。

「惡之花」有望洗成「白蓮花」？

「近幾十年來，生物化學家一直對地球上的植物如何衍變和產生如此豐富的次生代謝產物充滿好奇。我非常高興能夠參與這個項目，利用高品質基因組破譯罌粟中合成次生代謝產物的奧秘。」Graham教授說，「這對開發分子植物育種工具，培育新品種具有重要意義，可用於產生可靠、廉價、有效的止痛藥，造福全人類。」

罌粟的次生代謝產物成分複雜多樣，要把可以鎮痛的嗎啡類生物鹼和可以止咳的那可丁分離出來，需要一系列提純操作。科學家們正在思考，能否通過分子育種技術，得到隻產生單一產物的新型植株，這樣既提高了產量，又降低了成本。

「更重要的一點在於，鴉片罌粟是一種受控制的作物，只能在由國家保護管控的地區種植。」葉凱進一步說，「如果我們能培育出隻產生止咳物質、而不能使人成癮的株系，那麼這些植物就可以種到更廣闊的地方去。」

焦遠年表示，這項工作具有一定的開創性意義。「在研究植物基因組的同時，又能為醫學等其他學科提供有用的資訊，展現出一定的應用前景——這體現了多學科交叉融合發展的大趨勢。」他說。