Li Chen-Yi i Yang Lei, de Shanghai, encapçalen la llista d’autors de l’article de Cell Reports publicat aquesta setmana en el que es presenta el genoma a nivell cromosòmic de la Salvia officinalis. Aquesta investigació, que té a Chen Xiao-Ya com a autor corresponsal, posa especial atenció en el metabolisme secundari de la sàlvia. Així, Li et al. descriuen l’evolució d’un clúster de dos gens de la biosíntesi de diterpens. La divergència de gens CYP permeté oxidacions variables dels diterpenoids de les arrels i de les tiges, amb regulacions diferencials per als gens d’un mateix clúster. El clúster, doncs, no tan sols té una funció de co-regulació de gens sinó també d’orquestrar la producció de metabòlits en diferents òrgans. L’anàlisi filogenòmica de Li et al. indica que el llinatge que conduí al gènere Salvia es diferencià a principi del Miocè, fa uns 20 milions d’anys. A l’Àsia Oriental, hom troba en general plantes del gènere Salvia de port herbaci i que acumulen diterpenoids en els òrgans d’emmagatzematge de les arrels: així, per exemple, a S. miltiorrhiza s’ha perdut la cascada de síntesi de diterpenoids de les parts aèries. Això darrer és un exemple de la relació evolutiva entre els tipus de creixement (herba, arbust) i els patrons organogràfics de metabolisme especialitzat.
La sàlvia (“Salvia officinalis” L.) és una planta de la família de les labiades o lamiàcies, de fulles oblongues o lanceolades i flors grans, violàcies, amb el llavi superior de la corol·la comprimit. Arbust perenne de la regió mediterrània, és també cultivat arreu com a planta medicinal i ornamental. Li et al. publiquen un genoma de sàlvia d’alta qualitat de 480 milions de parells de nucleòtids, distribuït en set cromosomes. Han identificat un clúster de gens biosintètics (BCG) que codifiquen dos parells de diterpen-sintases (diTPSs). Les diTPSs, juntament amb els citocroms P450 (CYPs, els gens dels quals són dins i fora del clúster), constitueixen dues cascades d’expressió responsables, respectivament, de la síntesi dels diterpenoids de la part aèria de la planta i de la síntesi dels diterpenoids de les arrels.
El genoma de la Salvia officinalis
Aquesta recerca fou dissenyada per Chen Xiao-Ya i Li Chen-Yi, del Laboratori de Genètica Molecular de Plantes de Shanghai, de l’Acadèmia Xinesa de Ciències. La major part dels experiments foren conduïts per Li Chen-Yi, Yang Lei (del Laboratori de Genòmica Funcional de Plantes del Jardi Botànic Chenshan de Shanghai) i Liu Yan (Acadèmia Xinesa de Ciències). La seqüenciació genòmica i l’anàlisi bioinformàtica foren conduïdes per Li Chen-Yi, Zhang Yi-Jing (del Laboratori d’Enginyeria Genètica de la Universitat de Fudan) i Gao Jian (Acadèmia Xinesa de Ciències). Els materials vegetals per a la seqüenciació foren preparats per Huang Yan-Bo (Chenshan) i Wei Yu-Kun (Chenshan). L’anàlisi metabòlica fou realitzada per Kong Yu (Chenshan) i Hu Wen-Li (Acadèmia Xinesa de Ciències). Altres anàlisis de dades foren fetes per Fan Hang (Chenshan) i Zhao Qing (Chenshan). El primer esborrany de l’article fou redactat per Li Chen-Yi, Yang Lei i Chen Xiao-Ya, i després fou revisat per Cathie Martin (del John Innes Centre de Norwich), Zhang Yi-Jing (Acadèmia Xinesa de Ciències), Xu Jing-Jing (Chenshan) i Hu Yong-Hong (Chenshan).
Els autors agraeixen a Xu Yi-Qiao els dibuixos de Salvia officinalis i de S. miltiorrhiza; a Xu Xiao-yan i Wang Shan-Shan l’anàlisi de metabòlits; a Bu Shi-Zhen l’anàlisi de ressonància magnètica nuclear; a Yin Shui-ning i Liu Li l’anàlisi de citometria de flux; a Guo Juan per l’anotació del genoma de S. miltiorrhiza. La recerca fou finançada a través d’un programa públic xinès.
El metabolisme especialitzat o secundari de les plantes participa en funcions suplementàries com les interaccions biòtiques, les respostes a estrès i les reaccions de defensa. La flaire de moltes plantes de la família de les labiades (o lamiàcies) testimonia una part d’aquest metabolisme secundari. Dins d’aquesta família, el gènere Salvia és el més divers, amb un miler d’espècies discretes (que són el 15% de totes les espècies descrites de labiades). L’espècie tipus és Salvia officinalis, d’usos medicinals, però també té usos medicinals S. miltiorrhiza (el Danshen de la medicina xinesa). D’altres espècies tenen usos ornamentals (S. splendens), en perfumeria (S. sclarea) o en gastronomia (S. hispanica). De la mateixa manera que hom cultiva S. officinalis a Europa per usos medicinal, a l’Àsia Oriental cultiven S. miltiorrhiza.
Entre els metabòlits especialitzats de la Salvia destaquen els oligòmers fenòlics (com l’àcid rosmarínic) i els diterpenoids de tipus abietà. La riquesa en diterpenoids és tret general de la família de les labiades. En les fulles de S. officinalis s’acumulen grans quantitats de diterpenoids tricíclics (àcid carnòsic, carnosol), alguns dels quals tenen interès com a antioxidants, antibiòtics i antitumorals.
Fitogeogràficament, la diversificació de Salvia té tres centres:
1) Amèrica Central i del Sud, amb unes 500 espècies.
2) Sud-Oest d’Àsia i Conca Mediterrània, amb 250 espècies.
3) Àsia Oriental, amb unes 100 espècies.
Cladísticament, poden dividir el gènere Salvia en:
– clade I, amb les espècies de l’Àsia Sud-Occidental i de la Mediterrània.
– clade II.
– clade III.
– clade IV, amb les espècies de l’Àsia Oriental.
S. officinalis és un arbust perennifoli. Presenta diterpenoids especialitzats tant en els teixits radicals com en els caulinars. En les fulles, els diterpenoids s’associen amb els tricomes glandulars de la superfície.
S. miltiorrhiza és una herba perenne, però passa l’hivern gràcies a les reserves acumulades en les arrels. Els diterpenoids de tipus abietà en aquesta espècies es limiten a l’arrel.
Una comparació de dues espècies de Salvia: S. officinalis i S. miltiorrhiza
Els materials vegetals (S. officinalis i S. miltiorrhiza) d’aquest estudi procedeixen el Banc de Germoplasma de Lamiàcies de l’Administració Nacional de Boscos i Pastures, amb seu al Jardí Botànic Chenshan de Shanghai. Les plantes obtingudes es mantingueren en una sala de creixement amb un cicle de 16h-8h de llum i foscor, amb llum fluorescent blanca freda i una temperatura de 23 ± 2°C. S’hi feia una extracció d’ADN, la qualitat del qual era verificada amb una electroforesi en gel d’agarosa i una anàlisi espectrocòpica. L’ADN utilitzat procedia de teixits foliars d’una sola planta de S. officinalis. S’hi construí una genoteca de 20 kb a través de Nextomics Bioscience. Per valorar la mida del genoma s’aplicà la fórmula 1 pg d’ADN = 978 Mb, i després es mesurà per citometria de flux a partir d’un 1 cm2 de fulla.
Els ORFs corresponents a TPSs foren caracteritzats funcionalment en un vector d’expressió d’E. coli. Els ORFs corresponents a CYPs foren caracteritzats funcionament en un vector d’expressió de S. cerevisiae.
Les anàlisis de metabòlits es conduïren per cromatografia de masses acoblada a espectrometria de masses (GC-MS).
Les lliçons del genoma de Salvia officinalis
El miltiradiè és un diterpè de tipus abietà habitual entre les espècies eurasiàtiques de Salvia. Segons quina posició de l’abietà és oxidada s’obté ferruginol, 11-hidroxiferruginol, sugiol, 11-hidrosugiol, àcid carnòsi i carnosol. Li et al. han estudiat la distribució espacial de diferents diterpenoids de S. officinalis, analitzant-hi fulles, arrels, tiges i flors en diferents moments del desenvolupament. L’espectre de metabòlits difereix en cada òrgan, particularment entre les parts aèries (fulles i tiges, riques en carnosol i àcid carnòsic) i les arrels (riques en ferruginol i sugiol).
El genoma de Salvia officinalis és de 480 Mb. És inferior en mida al de S. miltiorrhiza (557 Mb) però superior al de Scutellaria baicalensis (408,1 Mb). El genoma que presenten Li et al. consta de 472,2 Mb integrades per 721 contigs. Per mapatge òptic, dedueixen que és integrat per set cromosomes, cosa que s’adiu amb el recompte microscòpic.
Les seqüències repetides ocupen el 61,67% de tot el genoma (33,09% de retrotransposons; 8,74% de transposons Helitron i 15,81% de LTRs.
A partir de dades transcriptòmiques de sis òrgans diferents, es dedueix que el genoma de S. officinalis consta de 31.713 gens codificadors de proteïnes, dels quals 92,9% tenen homòlegs en les bases de dades prèvies. Dels 31.713 gens, 7.123 (el 22,7%) es trobarien implicats en el metabolisme secundari. Hi ha 1.833 gens de factors de transcripció.
L’anàlisi filogenòmica situa Salvia dins de la subfamília de les Nepetoideae, que haurien aparegut fa 65-50 milions d’anys. El gènere Salvia aparegué fa 25-20 milions d’anys. En l’evolució ulterior del gènere, la migració a llarga distància ha estat el motor de l’especiació.
En el genoma de Salvia es reflecteixen fenòmens evolutius encara molt més antics. Fa 132 milions d’anys, l’ancestre de la majoria de les eudicotiledònies actuals va partir una triplicació de tot el genoma. Fa 72 milions d’anys, la majoria de les famílies de l’ordre dels Lamiales (amb l’exclusió de les oleàcies) patiren una duplicació de tot el genoma.
La distribució cromosòmica del genoma de Salvia officinalis deu haver patir nombrosos rearrengleraments, ja que els set cromosomes de Salvia officinalis presenten poca col·linealitat amb els vuit cromosomes de Salvia miltiorrhiza.
En el genoma de la sàlvia encara s’hi detecten duplicacions parcials més recents: 2.178 proximals i 2.054 en tàndem. Aquestes duplicacions han conduït a l’expansió de famílies de gens, particularment de monooxigenases.
En el genoma de la sàlvia hi hauria 440 seqüències corresponents a gens de CYPs. Li et al. fan un arbre filogenètic de 365 proteïnes corresponents. Nou famílies de gens CYPs haurien experimentat expansions, destacadament CYP71, CYP72 i CYP76. Així doncs hi ha 17 gens CYP71Ds i 13 gens CYP76AHs. Els gens CYPs, bé en solitari o com a duplicats, es distribueixen arreu del genoma. No obstant, 11 gens CYP76AH i 11 gens CYP71D es troben en el cromosoma 1. Ací trobem un clúster en el que es localitzen 6 gens CYP76AHs i 3 gens CYP71Ds, a més de quatre gens diTPS. Aquest clúster de biosíntesi de diterpens (DGC) ocupa una regió de 640 kb.
En les plantes angiospermes, la síntesi de l’esquelet de diterpè es fa per l’acció successiva de parells de diTPSs. La via de la metiletritriol 4-fosfat, localitzada en els plastidis, sintetitza el geranilgeranil-difosfat (GGPP). El GGPP és el substrat de la classe II de diTPS, i després actua la classe I de diTPSs.
En el genoma de sàlvia s’identifiquen 69 seqüències corresponents a gens de TPSs, dels quals 49 serien còpies funcionals. N’hi ha 14 gens diTPS, localitzats en 5 cromosomes, però la meitat són en el cromosoma 1.
Els gens situats en el DGC tenen expressions diferencials. Li et al. han fet anàlisis funcionals de co-expressió per trobar els factors de transcripció implicats i els llocs del DGC on s’uneixen. Així identifiquen dos conjunts regulatoris, un per a les arrels i un altre per a les fulles.
La comparació amb altres plantes de l’ordre Lamiales deixa entendre que el DGC aparegué aviat en la divergència dels Lamiids d’altres Astèrids.
Genòmica i metabolisme secundari
La família de les Lamiaceae és integrada per 230 gèneres i 7.000 espècies d’herbes, arbustos i arbres. El gènere Salvia presenta incògnites des d’un punt de vista sistemàtic, i aquest genoma de S. officinalis pot ajudar a entendre altres espècies de labiades. Les Lamiaceae són incloses en l’ordre dels Lamiales. L’ordre dels Lamiales, juntament amb Gentianales i Solanales, formaria el super-clade dels Lamiids, i aquest se situaria dins dels Asterids. És remarcable que una estructura genòmica com el DGC sigui compartida pels Lamiids, encara que els gens incorporats dins del DGC varien segons cada llinatge. En el cas de la sàlvia, i probablement en altres Nepetoideae, el DGC s’ha especialitzat en la síntesi de ditepernoids de tipus abietà i de nor-diterpenoids. En el cas del gènere Solanum (patates, tomàquets, etc.), el DGC s’ha especialitzat en la síntesi de monoterpens i sesquiterpens.
El metabolisme secundari de la sàlvia, particularment pel que fa a les fulles, es troba especialment adaptat per fer front a l’excés de llum, de calor i d’eixutesa propis del clima mediterrània, i més encara de les màquies. No debades, els diterpenoids s’associen als tricomes de les fulles, tan importants per garantir unes condicions microambientals favorables. La intenció de Li et al. és continuar l’estudi sobre les relacions entre el metabolisme secundari i les condicions de cada espècie del gènere Salvia, des de la màquia mediterrània fins al clima monzònic. El coneixement genòmic, transcriptòmic i metabolòmic de les labiades és ben rellevant si pensem en l’interès cosmètic, alimentari i farmacèutic de moltes de les espècies d’aquesta família.
Lligams:
– The sage genome provides insight into the evolutionary dynamics of diterpene biosynthesis gene cluster in plants. Chen-Yi Li, Lei Yang, Yan Liu, Zhou-Geng Xu, Jian Gao, Yan-Bo Huang, Jing-Jing Xu, Hang Fan, Yu Kong, Yu-Kun Wei, Wen-Li Hu, Ling-Jian Wang, Qing Zhao, Yong-Hong Hu, Yi-Jing Zhang, Cathie Martin, Xiao-Ya Chen. Cell Rep. 40: 111236 (2022).
Des de la Mediterrània 