多组学解析野生马铃薯中甾体糖苷生物碱的结构和生物合成多样性

*文章正文(补充材料无效)中需注明正确的产品名称，型号，并采用标准公司名称:福建九圃生物科技有限公司Fujian Jiupo Biotechnology Co.,Ltd.

       马铃薯是全球第四大粮食作物，是保障粮食安全与营养供给的重要作物。甾体糖苷生物碱是茄科作物（马铃薯、番茄、茄子）中特有的一类生物碱，其对植物具有抗虫、抗病原菌的功能，一直是马铃薯生物学研究的一个热点。研究通过68个野生马铃薯种质的代谢组分析，鉴定出64种SGAs，分为茄啶型（solanidane）、螺甾烷型22αN（spirosolane 22αN）和22βN（spirosolane 22βN）三大类。不同种质间SGA组成和含量差异显著，形成5个代谢簇，与物种进化分组相关。

图1：茄碱的多样性的调控通路

      研究中初次构建了马铃薯种群的泛转录组，发现了4,848个新基因，为基因功能研究提供基础，进一步整合代谢组与转录组数据，筛选出193个参与SGA结构修饰的候选基因。其中5个2-酮戊二酸依赖性双加氧酶（2ODD）和GAME25基因影响SGA结构的变异，如GAME31-like-1特异性催化螺甾烷型22αN-SGAs的C-23羟基化反应。通过烟草瞬时表达、体外酶活及核磁共振分析，证实GAME31-like-1优先催化糖基化α-茄碱（α-solasonine）而非茄啶碱（solasodine），表明羟基化修饰发生在糖基化之后。本研究成功绘制了马铃薯野生种质“代谢—基因”全景图谱，拓宽了人类对马铃薯野生种质中甾体糖苷生物碱多样性的认识，将为甾体糖苷生物碱合成与调控机制的深入解析提供重要借鉴，为利用合成生物学技术高效生产甾体糖苷生物碱奠定了坚实基础。

图2：GAME31-like的功能验证

      本研究采用创新多组学手段，首次系统揭示野生马铃薯甾体糖苷生物碱（SGAs）丰富的化学多样性，并构建了高质量泛转录组，为解析其遗传基础提供了重要支撑。研究明确了SGA在不同野生种中的分布特征，结合代谢-基因关联分析，筛选出调控其结构多样性的关键候选基因。团队通过生化与结构生物学实验，鉴定出新型双加氧酶GAME31-like-1可催化特定 SGA的C-23位羟基化，完善了SGA生物合成途径，也为阐释植物次生代谢进化机制提供了新依据。该研究构建的代谢-基因图谱与新功能基因，为利用野生马铃薯遗传资源，通过分子育种与合成生物学培育高抗、优质马铃薯新品种奠定了基础。

深圳基因组所博士后张钟、湖北中医药大学的博士研究生吴迎梅为该论文的共同第一作者。云南师范大学的祝光涛教授和湖北中医药大学苟君波教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到了广东省基础与应用基础研究重大项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中国博士后科学基金等项目的资助。