植物中的大熊猫——红豆杉

来源 | Mol Plant植物科学

红豆杉和紫杉醇

红豆杉（Taxus wallichiana var.mairei）是红豆杉属植物的统称。红豆杉在地球上的生存时间已有250万年，可以称为植物中的“活化石”[1]。但由于过度开发利用，红豆杉已经成为我国一级珍稀濒危保护植物。红豆杉也是世界上公认的濒临灭绝的天然珍稀抗癌植物，又被称为植物中的“大熊猫”。

红豆杉的枝叶和树皮中含紫杉醇,是其特有的一种结构复杂的次生代谢产物。紫杉醇对乳腺癌、卵巢癌等癌症具有良好的疗效[3]。紫杉醇通过使得组成微管的微管蛋白二聚体活性发生变化，促进微管蛋白结合，形成更为稳定的微管蛋白束，从而对纺锤体的形成产生抑制作用。这种抑制作用其实对所有细胞都有影响，而对增殖迅速的癌细胞最为不利。

近年来，我国科学家经过巧妙的底物设计，采用二碘化钐介导的频哪醇偶联反应为关键策略，在分子的底部C1-C2位成功完成挑战性的八元环关环，通过21步（目前国际上最短的紫杉醇全合成路线）实现紫杉醇的高效不对称全合成[2]。

紫杉醇的不对称合成

红豆杉最新研究进展

那么红豆杉属植物到底有多少种呢？2018年，中国科学院昆明植物研究所李德铢科研团队，通过整合全球红豆杉属的遗传和分布数据，综合运用DNA条形码、物种分布区模拟和谱系地理学等多学科交叉的研究方法，首次提出全球红豆杉属共有15种，中国有10种。并为全球已知的15种红豆杉属植物构建了DNA条形码标准数据库和精准的物种分布地图[4]。2020年，该科研团队对全球红豆杉属16个已知物种进行了全面取样。研究发现，红豆杉属起源于早白垩纪。该研究阐明了红豆杉属植物的系统发育关系和全球地理分布格局形成的时空过程，较为全面地解析了全球红豆杉属复杂的物种多样化历史[5,6]。

全球红豆杉属的物种分化历史

全球红豆杉属植物的时空演化过程

2021年，我国科学家对红豆杉进行了全基因组测序，完成了对红豆杉参考基因组图谱的解密。两组科研团队对此项工作做出了重要贡献。

1. 中国科学院天津工业生物技术研究所联合西北工业大学、深圳华大生命科学研究院、欣贝莱生物等合作单位在Molecular Plant发表了题为Chromosome-level genome of Himalayan yew provides insights into the origin and evolution of the paclitaxel biosynthetic pathway的研究论文。该研究完成了对喜马拉雅红豆杉超10Gb的染色体水平的全基因组测序，并通过复杂基因组组装与分析，鉴定了红豆杉中生物合成紫杉醇的关键基因簇，阐明了紫杉醇合成途径的起源与进化机制，为完全解析紫杉醇生物合成途径奠定了重要基础[7]。

红豆杉基因组与紫杉醇合成相关的基因簇

2. 湖南农业大学和中国农业科学院农业基因组研究所等单位在Nature Plants发表题为“The Taxus genome providesinsights into paclitaxel biosynthesis”的研究论文。该研究使用南方红豆杉单倍型胚乳为材料，进行了全基因组测序，成功组装了高质量参考基因组。该研究发现，南方红豆杉基因组大小为10.23 Gb，该基因组在进化过程中有一次全基因复制过程。除此之外，本研究系统分析了紫杉醇合成相关基因的定位情况与协同表达调控模式，绘制了基因组位置图谱。并说明紫杉醇仅在红豆杉中合成，与其特有的CYP725A家族和TS家族有关。该研究成果将有助于开发红豆杉的分子标记，指导红豆杉育种和遗传改良工作[8]。

红豆杉的基因组特征

我国科学家寻找提高紫杉醇产量的途径

紫杉醇作为抗癌药物在临床治疗被广泛应用。但是红豆杉生长缓慢，并且紫杉醇含量很低。因此，不破坏森林资源的前提下，科学家需要利用现代生物技术手段寻找提高紫杉醇产量的途径（下文列出为近两年相关文章）。

2020年1月30日，杭州师范大学沈晨佳课题组于the Plant journal杂志发表科研文章[8]。该研究以曼地亚红豆杉（taxusmedia）为研究材料，综合了代谢组学和蛋白质组学方法分析主要茎组织的化学成分和蛋白质成分，确定了韧皮部特异性的TmMYB3参与紫杉醇生物合成的转录调控过程。该研究结果有助于阐明紫杉醇生物合成的调控机制，并加速紫杉醇高产品种的产生。

TmMYB3在紫杉醇生物合成中的作用

江苏师范大学蒋继宏教授科研团队从红豆杉中分离了一种内生真菌P. lobariellae KL27，并发现其可以促进紫杉醇合成。2022年1月，该课题组在BMC Plant Biology发表题为Endophytic fungus Pseudodidymocyrtis lobariellae KL27 promotes taxol biosynthesis and accumulation in Taxus chinensis的科研文章。该研究基于转录组学分析，揭示了内生真菌KL27通过激素代谢和信号转导上调多个参与紫杉醇生物合成基因的表达，提高紫杉醇积累[9]。该研究为内生真菌调节药用成分积累的机制提供了新的证据。

KL27促进紫杉醇的积累

参考文献：

[1] 邓兴旺.植物与食物. 商务印书馆

[2] Hu, Y.J., Gu, C.C., Wang, X.F., Min, L. and Li, C.C., 2021. Asymmetric total synthesis of Taxol. Journal of the American Chemical Society, 143(42), pp.17862-17870.

[3] Bernabeu, E., Cagel, M., Lagomarsino, E., Moretton, M. and Chiappetta,D.A. Paclitaxel: What has been done and the challenges remainahead.Int. J. Pharm.2017,526:474–495.

[4] Liu J, Milne RI, et al. Integrating a comprehensive DNA barcode reference library with a global map of yews (Taxus L.) for forensic identification[J]. Molecular ecology resources, 2018, 18(5):1115-1131.

[5] Mller M,Liu J,Li Y, et al. Repeated intercontinental migrations and recurring hybridizations characterise the evolutionary history of yew (Taxus L.). Molecular Phylogenetics and Evolution, 2020, 153:106952.

[6] 中国科学院昆明植物研究所

[7] Cheng J, Wang X, Liu X,et al.Chromosome-level genome of Himalayan yew provides insights into the origin and evolution of the paclitaxel biosynthetic pathway. Molecular plant, 2021, 14(7):11.

[8] Xiong X, Guo J, Liao Q, et al.The Taxus genome provides insights into paclitaxel biosynthesis.Nature Plants,2021,7:1026–1036.

[9]Yu C，Luo X,Zhang C, et al.Tissue-specific study across the stem of Taxus media identifies a phloem-specific TmMYB3 involved in the transcriptional regulation of paclitaxel biosynthesis.the Plant Journal,2020,103:95-110.

[9]Cao X,Xu L,Wang J, et al. Endophytic fungus Pseudodidymocyrtis lobariellae KL27 promotes taxol biosynthesis and accumulation in Taxus chinensis. BMC Plant Biology, 2022, 22(1):1-18.