4月25日，東北林業(yè)大學(xué)李玉花教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合沈海龍教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)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(bào)道由于達(dá)瑪烯二醇合酶基因的缺失及三萜骨架位點(diǎn)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(jìn)化機(jī)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(guó)東北東部林區(qū)重要的食藥同源植物，亦被譽(yù)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(dá)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(dá)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(jī)制備受國(guó)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(cè)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(wàn)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(méi)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(dá)瑪烯二醇的達(dá)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(gè)外顯子編碼的氨基酸殘基，推測(cè)DDS基因的缺失可能導(dǎo)致楤木不能合成達(dá)瑪烷型四環(huán)三萜皂苷。通過(guò)轉(zhuǎn)基因功能互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)，將人參的PgDDS基因在楤木愈傷組織細(xì)胞中過(guò)量表達(dá)，恢復(fù)了轉(zhuǎn)基因楤木細(xì)胞合成達(dá)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(fù)責(zé)催化瑪烷型皂苷的關(guān)鍵酶基因DDS(達(dá)瑪烯二醇合酶)存在外顯子缺失，導(dǎo)致龍牙楤木無(wú)法合成達(dá)瑪烷型皂苷的機(jī)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(dá)系統(tǒng)及體內(nèi)、體外催化功能驗(yàn)證，鑒定了其中的4個(gè)串聯(lián)重復(fù)區(qū)中8個(gè)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(guò)合成生物學(xué)手段，利用釀酒酵母做為底盤細(xì)胞，利用多種不同類型的酶組合表達(dá)從頭合成了多達(dá)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(jìn)化機(jī)制，為理解串聯(lián)重復(fù)基因在植物次生代謝進(jìn)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(jìn)化生物學(xué)等研究提供了高質(zhì)量的基因組支撐。此外，對(duì)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(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域聯(lián)合發(fā)展重點(diǎn)基金項(xiàng)目、林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新項(xiàng)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(jìn)化機(jī)制 龍牙楤木