|
 |
图 全基因组复制驱动的七叶皂苷生物合成基因簇形成及功能研究
在国家自然科学基金项目（批准号：82274037、82304673、21978015）等资助下，中国中医科学院中药研究所/成都中医药大学陈士林研究员课题组、北京化工大学孙新晓教授课题组、东北林业大学徐志超教授课题组等合作，在娑罗子药效成分生物合成及其机制研究方面取得进展。研究成果以“七叶树基因组揭示七叶皂苷和七叶树生物合成及进化机制（Characterization of the horse chestnut genome reveals the evolution of aescin and aesculin biosynthesis）”为题，于2023年10月13日在《自然•通讯》（Nature Communications）杂志上在线发表。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42253-y。该研究被《自然•通讯》杂志选为亮点文章。
娑罗子是我国传统中药，常用于治疗肝胃气滞，胸腹胀闷，胃脘疼痛等，其基原植物（中华七叶树）特异性积累的七叶皂苷和七叶素已广泛应用于临床。其化合物的来源主要依赖于植物资源的提取，通过中药活性成分绿色合成的策略将有助于缓解现有资源依赖。然而，对于七叶皂苷和七叶素活性成分的合成、调控和转运机制的分子遗传学研究基本为空白。
研究团队基于高通量测序及染色体构象捕获技术破译娑罗子基原植物中华七叶树（Aesculus chinensis）的染色体级别基因组，通过不同发育阶段的代谢组及质谱成像技术揭示七叶皂苷在子叶中特异性积累。研究发现两个参与七叶皂苷生物合成的基因簇（AcCluster I和AcCluster II），由中华七叶树独特的全基因组复制事件进化而来。在此基础上，研究团队通过代谢组学、转录组学以及合成生物学技术等方法解析七叶皂苷生物合成途径中关键的三萜骨架环化、氧化、酰基化和葡萄糖醛酸化等催化过程（图）。进一步通过比较全被子植物基因组发现该代谢基因簇的招募和进化，深入阐释了玉蕊醇型三萜类化合物在七叶树中的演化机制。此外，研究团队解析了七叶树来源的七叶素生物合成途径，并在大肠杆菌中实现了七叶素的生物合成。
该研究基于多组学及质谱成像技术将中药活性成分生物合成研究提升到空间组学水平，为中药活性成分“时-空”合成机制的解析提供新思路，助力天然产物药物的生物合成以及高含量药效成分品种的精准选育。