自古以来，关于鸦片罂粟（又名罂粟）的两面性人们争论不休，一方面，它能缓解人类疾病痛苦，《本草求原》记载“性同于粟壳，而止痢止痛行气之效尤胜”；另一方面，长期大量使用，可使人成瘾。从新石器时代，人类一直在探究其奥秘，但知其然，不知其所以然。

8月31日，西安交大叶凯教授团队、英国约克大学Ian Graham院士团队、英国Sanger研究所宁泽民研究员，利用最新的基因组研究技术，深度挖掘罂粟基因组，相关研究以“The opium poppy genome and morphinan production”为题，发表在最新一期的《Science》杂志上。

植物基因组的复杂性众所周知，罂粟的基因组存在大量（~70%）的重复序列，且经历了多次大规模的结构变异，使得解析该基因组异常困难。破解罂粟基因组是当今科学界亟待破解的难题。

研究团队利用多种前沿基因组测序技术、复杂数学模型、深度挖掘及分析方法破译该基因组并揭示其进化历史。

图1. 罂粟基因组特征及主要进化事件

叶凯团队与英国团队合作，以英国本土罂粟植物为对象，历时两年，首次在国际上完成了罂粟全基因组测序及高质量组装分析。同时，通过开发利用基因组深度挖掘算法及模型，发现了（1）罂粟基因组大小约为28亿个碱基对，共11条染色体，编码51213个基因;（2）罂粟在距今780万年发生了一次全基因组加倍事件，早于20万年前智人首次出现;（3）罂粟在毛茛科和罂粟科植物分化之前（距今至少1.1亿年）曾发生基因组片段加倍事件；（4）首次发现罂粟合成那可丁和吗啡类生物碱的15个基因在11号染色体上形成超级基因簇；（5）该基因簇在根、茎部特异表达且共表达；（6）罂粟进化过程中经历的基因组加倍事件和多次基因片段扩增、丢失、融合和重排等形成了该超级基因簇。

该成果揭示了罂粟基因组进化历史的主要加倍和重排事件及鸦片有效成分的合成途径的进化历史；为使用分子育种方法进一步改良罂粟奠定基础。

“罂粟基因组存在大量重复序列，且过去亿年间的各种进化事件叠加融合，使得解析该基因组变的异常困难。我们利用多种前沿基因组测序技术、复杂数学模型、深度挖掘及分析方法破译该基因组并揭示其进化历史”，叶凯表示，“有趣的是，正是由于各种基因组结构变异的叠加积累，造成了两种代谢通路基因的聚集和共表达，形成了一个超级基因簇，从而能够协同高效合成新的次生代谢物。”

英国约克大学生物系教授、英国皇家科学院院士、本文共同通讯作者Ian Graham教授说：“近几十年来，生物化学家一直对地球上的植物如何衍变和产生如此丰富的次生代谢产物充满好奇。我非常高兴能够参与该项目，利用高质量基因组破译罂粟中合成次生代谢产物的奥秘。同时，该项目对开发分子植物育种工具，培育新品种具有重要意义，可用于产生可靠、廉价、有效的止痛药，造福全人类“。