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    分子植物科學卓越創新辰山中心徐萍研究組在揭示益母草堿合成途徑及進化機制

    文章來源:分子植物科學卓越創新中心  |  發布時間:2023-11-14  |  【打印】 【關閉

      

      很多人都聽過“益母草”的名字。益母草(Leonurus japonicus Houtt.),是唇形科益母草屬的傳統藥材,顧名思義,它在傳統上常當作婦科用藥,在亞洲和歐洲多地有著超過兩千年的藥用歷史。益母草堿是益母草的主要藥效成分,也是益母草屬特有的天然產物。值得一提的是,有特殊氣味的萜類化合物常常是唇形科藥用植物的主要活性物質,而在益母草屬中,活性物質卻以益母草堿為代表的生物堿為主。近年來的研究表明,益母草堿在治療腦中風和降低血脂方面療效顯著,目前已有臨床實驗正在進行。

      然而,盡管市場對益母草堿的需求持續增加,其生物合成途徑在本研究之前卻依然是個謎。這樣一種化學成分是怎樣出現在益母草這一植物中的?

      2023年11月10日,中國科學院分子植物科學卓越創新中心辰山植物科學研究中心徐萍研究組在Molecular Plant在線發表題為“Multi-Omics Analyses of Two Leonurus Species Illuminate Leonurine Biosynthesis and Its Evolution”的研究論文。該研究首次報道了兩個益母草屬植物的基因組,并運用多組學技術深入研究了益母草屬特有活性物質益母草堿的生物合成機制,揭示了這一天然產物在唇形目植物中的演化歷程。

      活性物質在植物體中的合成,必然有一個“植物工廠”。為了研究益母草堿的生物合成途徑,研究團隊對兩種益母草屬植物進行了基因組測序,分別是益母草(L. japonicus)和細葉益母草(L. sibiricus)。這兩種植物親緣關系密切、形態相似,但一個能產生大量益母草堿,另一個卻幾乎不含益母草堿(圖1)。這一對物種成為了益母草堿合成極好的研究對象。

      通過對這一對物種的對比基因組學、轉錄組學和代謝組學的關聯分析,研究團隊揭示了益母草堿合成路徑,并確定了關鍵的候選基因,篩選和鑒定了合成途徑中的幾個關鍵酶,包括精氨酸脫羧酶(ADC)、UDP-葡萄糖基轉移酶(UGT)以及絲氨酸羧肽酶樣(SCPL)?;D移酶。實驗證實,生物體內常見的精氨酸,經過幾個步驟,最終成為了可作為藥物的益母草堿:精氨酸首先經過ADC的催化生成胍丁胺,而后經過胺氧化、醛還原等步驟生成胍丁醇。同時,丁香酸經UGT的活化形成丁香酰葡萄糖(SA-Glc)。胍丁醇和丁香酰葡萄糖在SCPL的催化下,共同合成益母草堿(圖2A)。本研究還定位了益母草堿在細胞中合成的關鍵位置:對這三個關鍵酶進行的亞細胞定位分析顯示,益母草堿的前體物質可能在細胞質

      中合成,而最后的合成步驟則發生在液泡中。

      那么,生產益母草堿這樣一種全新的植物產品的“植物工廠”,它是怎樣的在益母草中突然出現的呢?本研究結果同時揭示了這一謎題:在益母草堿的生物合成途徑中存在一個由UGT和SCPL基因組成的基因簇,該基因簇在唇形目植物芝麻、丹參、黃芩和益母草中均存在。UGT和SCPL的基因擴增以及SCPL的新功能化共同決定了益母草堿在益母草中的特異合成和積累(圖2B),換句話說,這些基因簇,在益母草中發揮了新的作用,就像一座老舊的“綠色工廠”通過轉產新的產品,發揮了新的功能。在這一發現為益母草堿的產生及其進化軌跡提供了重要的見解。

      該研究利用多組學和多系統生化實驗,成功從頭構建了益母草堿的生物合成途徑,揭示了益母草堿在植物體中的合成之謎。這一研究成果也為益母草堿的綠色、高效生物合成奠定了堅實的基礎,有望在未來推動益母草和益母草堿的開發和利用,使得這一天然代謝產物能為人類健康更好地服務。

      上海辰山植物園科研助理李鵬、顏夢曉、劉盼和已畢業研究生楊丹杰為本文共同第一作者,中國科學院分子植物卓越中心辰山植物科學研究中心研究組組長徐萍為通訊作者。該工作得到了趙清博士、陳曉亞院士和胡永紅園長的指導和大力支持。感謝中國科學技術大學向成斌教授和福建農林大學熊延教授的幫助。研究得到國家自然科學基金、上海市綠化和市容管理局辰山專項基金、上海市中央引導地方科技發展資金以及國家重要野生植物種質資源庫辰山中心的資助。

      文章鏈接:https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(23)00358-1


    圖1. 兩種益母草表型、基因組和益母草堿含量比較


    圖2. 益母草堿生物合成途徑及基因簇共線性分析示意圖

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