4月25日，東北林業(yè)大學(xué)李玉花教授團隊聯(lián)合沈海龍教授團隊在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然—通訊》(Nature Communications)上發(fā)表研究論文，該研究首次報道由于達瑪烯二醇合酶基因的缺失及三萜骨架位點特異性修飾酶的串聯(lián)重復(fù)，導(dǎo)致五加科植物龍牙楤木中積累豐富多樣的五環(huán)三萜皂苷的分子與進化機制。

龍牙楤木(Aralia elata)為五加科楤木屬多年生灌木，是主產(chǎn)于我國東北東部林區(qū)重要的食藥同源植物，亦被譽為“山野菜之王”，三萜皂苷是其主要活性成分。雖然楤木屬與“百草之王”人參屬的親緣關(guān)系較近(同屬Aralia-Panax亞類群)，但這二者間三萜皂苷的結(jié)構(gòu)類型與豐度均存在顯著差異。人參可合成大量的達瑪烷型四環(huán)三萜皂苷，僅積累5種齊墩果烷型五環(huán)三萜皂苷，而龍牙楤木中不合成達瑪烷型四環(huán)三萜皂苷，卻積累100余種齊墩果烷型五環(huán)三萜皂苷。五加科植物三萜皂苷結(jié)構(gòu)差異顯著，藥理活性也大不相同，其三萜皂苷生物合成和結(jié)構(gòu)多樣性機制備受國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

本研究以龍牙楤木為研究材料，采用PacBio三代測序技術(shù)及Hi-C技術(shù)構(gòu)建高質(zhì)量的龍牙楤木基因組圖譜。研究發(fā)現(xiàn)，楤木屬植物在大約12.3百萬年前與人參屬祖先發(fā)生了物種分化;同義替換率(KS)和基因組共線性分析揭示了人參、三七、楤木與刺五加等五加科植物共享的全基因組復(fù)制(WGD)事件，在楤木中沒有發(fā)現(xiàn)物種特異的WGD事件。比較人參、三七等基因組發(fā)現(xiàn)楤木中催化2,3環(huán)氧角鯊烯合成達瑪烯二醇的達瑪烯二醇合酶(DDS)基因的外顯子區(qū)發(fā)生了大量的缺失，只保留了由5個外顯子編碼的氨基酸殘基，推測DDS基因的缺失可能導(dǎo)致楤木不能合成達瑪烷型四環(huán)三萜皂苷。通過轉(zhuǎn)基因功能互補實驗，將人參的PgDDS基因在楤木愈傷組織細胞中過量表達，恢復(fù)了轉(zhuǎn)基因楤木細胞合成達瑪烷型四環(huán)三萜皂苷的能力。以上結(jié)果首次揭示了龍牙楤木基因組中負責(zé)催化瑪烷型皂苷的關(guān)鍵酶基因DDS(達瑪烯二醇合酶)存在外顯子缺失，導(dǎo)致龍牙楤木無法合成達瑪烷型皂苷的機制。

研究還發(fā)現(xiàn)，楤木屬在與人參屬植物分化后，其基因組中參與三萜皂苷生物合成的關(guān)鍵修飾酶基因P450、CSLM(編碼纖維素合酶M亞家族)、UGT等發(fā)生了大量的串聯(lián)重復(fù)。利用大腸桿菌及酵母表達系統(tǒng)及體內(nèi)、體外催化功能驗證，鑒定了其中的4個串聯(lián)重復(fù)區(qū)中8個關(guān)鍵酶基因的功能，系統(tǒng)解析了五環(huán)三萜型楤木皂苷的生物合成途徑。最后，通過合成生物學(xué)手段，利用釀酒酵母做為底盤細胞，利用多種不同類型的酶組合表達從頭合成了多達13種不同結(jié)構(gòu)的楤木皂苷。

以上結(jié)果，揭示了五加科植物三萜皂苷類化合物結(jié)構(gòu)多樣性形成的進化機制，為理解串聯(lián)重復(fù)基因在植物次生代謝進化中的作用提供了重要的啟示，還為五加科藥用植物的比較基因組學(xué)、進化生物學(xué)等研究提供了高質(zhì)量的基因組支撐。此外，對楤木關(guān)鍵藥用成分的“綠色生物制造”也具有重要的指導(dǎo)意義。

東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授李玉花、林學(xué)院教授沈海龍和教授張鵬、福建農(nóng)林大學(xué)教授劉仲健為論文共同通訊作者。東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王宇副教授和博士研究生張賀、朝鮮籍留學(xué)生李赫哲、博士研究生安澤宇為論文的共同第一作者。本研究得到國家自然科學(xué)基金區(qū)域聯(lián)合發(fā)展重點基金項目、林木遺傳育種國家重點實驗室創(chuàng)新項目的資助。(作者：張晴丹)

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關(guān)鍵詞： 山野菜之王 龍牙楤木三萜皂苷 進化機制 龍牙楤木