特色南藥益智圓柚酮生物合成研究取得新進展
近日,中國熱帶農業科學院橡膠研究所與武漢大學藥學院、泰康醫學院和中南醫院等單位聯合發布了海南特色南藥益智特征化合物圓柚酮合成代謝機制及生物合成的最新研究成果,研究團隊成功解析了益智圓柚酮的生物合成途徑并利用挖掘到的關鍵基因在工程菌中實現了圓柚酮的全生物合成。
益智始載于唐朝《本草拾遺》,距今已有一千三百多年的歷史,是海南省四大特色道地南藥之一。作為橡膠林下經濟重要的種植作物,已被海南省主推為十大天然橡膠林下經濟發展模式作物之一(橡膠林下間作益智模式)。益智成熟種子中含有豐富的圓柚酮,是益智的特征化合物,其含量高低是判別益智仁品質優劣的重要指標。如何精準評價并且選育適合橡膠林下種植的優異益智品種,提升橡膠林下經濟的效益是該產業提質增效面臨的一個很重要的應用基礎問題。解決這一問題有賴于弄清楚該特征化合物生物合成的關鍵基因。
為此,研究團隊采用前期開發的基于底盤的高通量基因篩選策略,對益智轉錄組中的圓柚酮代謝途徑的候選基因進行了大量篩選,成功挖掘到了圓柚酮代謝環節的合成酶基因,通過體內外生化實驗解析了圓柚酮的合成代謝機制。在此基礎上,研究團隊通過邊篩選邊構建的方式,優化了合成代謝關鍵酶基因的表達與活性,最終完成了工程酵母中的代謝重構。該研究特別發現一個赤霉素合成途徑的CYP701家族基因具有氧化瓦倫烯的新功能,這為揭示植物CYP450酶的雜泛性增添了一個新的案例。
研究成果將有助于推進南藥益智進入分子育種時代,可為利用分子聚合育種等新型生物育種技術在優良中藥材特殊功效化合物圓柚酮的精準評價與選育種方面提供關鍵的靶標基因,也為利用代謝工程與合成生物學技術綠色合成圓柚酮提供了新的合成基因資源與策略。