昆明理工大学研究团队揭示黄草乌生物碱生物合成途径

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黄草乌是乌头属植物中一种重要的药用植物。目前，黄草乌的研究主要集中在化学成分和药理作用，黄草乌化学成分研究发现黄草乌中二萜类生物碱有40多种，其中滇乌头碱、黄草乌碱甲、草乌甲素等二萜类生物碱，具有祛风除湿、温经止痛、解毒消肿、散寒活血、抗抑肿瘤等功效。黄草乌是云南白药、草乌甲素片等多种著名中成药的主要原料。黄草乌的二萜生物碱即是主要的药效成分，也是主要的毒性物质，黄草乌的根是这些代谢物的聚集部位，也是药用部位，但其生物碱的生物合成机制尚不清楚。

近日，来自昆明理工大学的研究人员在3Biotech发表了题为De novo RNA sequencing and analysis reveal the putative genes involved in diterpenoid biosynthesis in Aconitum vilmorinianum roots的研究论文 （李一果为第一作者、李昆志为通讯作者） ，揭示了黄草乌生物碱生物合成及其调控的分子机制。

作者通过黄草乌根形成初期、中期和末期进行转录组测序和从头组装，产生了59.39gb clean bases，组装成119660个Uingene，注释了69978个Uingene （58.48%） 。获得了参与二萜生物碱合成的27种基因 （139个候选基因） ，包括萜类骨架合成的MVA （mevalerate） 、MEP （methyl erythritol phosphate） 途径、FDP （farnesyl diphosphate） 调节途径和二萜支架合成途径的编码基因。鉴定了参与修饰二萜生物碱12个CYP450s基因。发现了调控MVA代谢途径中关键酶基因HMGR (hydroxymethylglutaryl-CoA reductase) 的miR6300。分析了与二萜合成的bHLH、AP2/EREBP和MYB等转录因子。

黄草乌二萜合成调控网络的假设模型。在细胞质中，乙酰辅酶A通过MVA途径形成IPP。在MVA通路中，HMGS基因受mir6300的调控。在质体中，乙交酯3-磷酸和丙酮酸通过MEP途径形成IPP。IPP分子被缩合成焦磷酸法尼酯，焦磷酸法尼酯通过FDP调控途径完成萜烯骨架的合成。GGPPS通过CDPS、KS和KO基因的相互作用进入二萜代谢途径，通过转录因子和CYP450的相互作用形成乌头碱及其衍生物。最后合成了乌头碱等二萜生物碱。

这项工作首次对黄草乌根转录组和代谢组进行分析，获得了并预测了黄草乌二萜生物合成基因、与二萜合成有关的CYP450基因、转录因子和MicoRNA等信息。这些结果不仅为黄草乌二萜类生物碱生物合成候选基因的功能鉴定奠定了基础，而且为黄草乌分子育种和乌头属及其他植物的二萜类代谢途径研究提供科学的依据。

https://link.springer.com/article/10.1007/s13205-021-02646-6