自然通讯；研究者揭示了五加科植物中三萜皂苷多样性的形成机制

来源：科学网2022-04-28 10336010

本研究首次报道了五加科植物龙牙楤木中五环三萜皂苷积累的分子和进化机制，其原因是达曼二醇合酶基因的缺失和三萜骨架位点特异性修饰酶的系列重复。

东北林业大学李玉华教授团队和沈海龙教授团队在Nature Communications上发表了题为《生物合成基因的缺失和串联复制驱动辽东楤木三萜类化合物的多样性》的研究论文。本研究首次报道了五加科植物龙牙楤木中五环三萜皂苷积累的分子和进化机制，其原因是达曼二醇合酶基因的缺失和三萜骨架位点特异性修饰酶的系列重复。

龙牙楤木是五加科多年生灌木。是重要的药食同源植物，主产于东北东部林区。它也被称为野菜之王。它具有抗癌、抗炎、抗氧化和治疗心脑疾病的作用。三萜皂苷是其主要活性成分。虽然楤木属和人参属亲缘关系较近(同属楤木-人参亚型)，但两者三萜皂苷的结构类型和丰度存在显著差异。人参能大量合成达玛烷型四环三萜皂苷，仅积累了5个齐墩果烷型五环三萜皂苷，而辽东楤木不合成达玛烷型四环三萜皂苷，但积累了100多个齐墩果烷型五环三萜皂苷。天南星科植物中的三萜皂苷在结构和药理活性上存在显著差异，其生物合成和结构多样性机制引起了国内外的广泛关注。

本研究以龙牙楤木为研究材料，利用PacBio第三代测序技术和Hi-C技术构建了龙牙楤木高质量基因组图谱。发现楤木属物种是在大约1230万年前与人参属的祖先分化而来的。同义替换率(KS)和基因组共线性分析揭示了人参、三七、辽东楤木和刺五加等五加科植物共有的全基因组复制(WGD)事件，但没有发现辽东楤木的种特异性WGD事件。比较人参和三七的基因组，发现楤木达玛烷二醇合酶(DDS)基因的外显子区域存在大量缺失，该基因催化2，3-环氧角鲨烯合成达玛烷二醇，仅保留5个外显子编码的氨基酸残基。推测DDS基因的缺失可能导致楤木无法合成达玛烷四环三萜皂苷。通过转基因功能互补实验，人参PgDDS基因在龙牙楤木愈伤组织细胞中过量表达，恢复了转基因龙牙楤木细胞合成达玛烷四环三萜皂苷的能力。上述结果首次揭示了龙牙楤木基因组中关键酶基因DDS(达曼二醇合酶)缺失外显子，导致龙牙楤木无法合成达曼二醇皂苷的机制(图1)。

图1辽东楤木中达曼二醇合酶基因缺失影响四环三萜皂苷的合成。

还发现楤木从人参分化后，大量串联重复的关键修饰酶基因P450、CSLM(编码纤维素合酶M亚家族)、UGT等。参与三萜皂苷生物合成发生在其基因组中(图2)。利用大肠杆菌和酵母的表达系统，通过体内外催化功能的验证，鉴定了4个串联重复序列中8个关键酶基因的功能，系统分析了五环三萜楤木皂苷的生物合成途径(图3)。最后，通过合成生物学的手段，以酿酒酵母为底盘细胞，利用多种不同类型的酶从头合成了多达13种不同结构的楤木皂苷。

图2五环三萜皂苷的多样性是由三萜骨架修饰酶串联重复驱动的。

图3龙牙楤木皂苷的结构多样性和生物合成途径

综上所述，本研究公布了高质量的楤木基因组，确定了参与三萜皂苷结构差异的关键基因，建立了五环三萜皂苷的代谢途径，从零开始合成了多种楤木皂苷。上述结果揭示了五加科植物三萜皂苷结构多样性的进化机制，为理解串联重复基因在植物次生代谢进化中的作用提供了重要启示，为五加科药用植物的比较基因组学和进化生物学提供了高质量的基因组支持(图4)。此外，对龙牙楤木关键药用成分的绿色生物制造具有重要的指导意义。

五加科植物的系统进化和三萜皂苷多样性的形成机制。

福建农林大学、沈海龙、刘教授为论文合著者。东北林业大学生命科学学院王宇副教授、博士生张赫，韩国留学生Hyok Chol Ri(李赫哲)和博士生安泽宇为论文的共同第一作者。台湾成功大学的薛哲勇教授、徐之超教授和蔡文杰教授参与了这项研究。本研究得到了国家区域联合发展重点基金(U21A20243)和林木遗传育种国家重点实验室创新项目的资助。

版权声明

本网站所有标注“来源：100医学网”或“来源：bioon”的文字、图片及音视频资料，版权归100医学网网站所有。未经授权，任何媒体、网站、个人不得转载，否则将追究法律责任。获得书面授权转载时，必须注明“来源：100医学网”。其他来源的文章均为转载文章。本网站所有转载文章都是为了传递更多信息。转载内容不代表本站立场。不想被转载的媒体或个人可以联系我们，我们会立即删除。

87%的用户都在使用100医疗网APP随时阅读、评论、分享。请扫描二维码下载-