海南大学罗杰团队再取研究进展

近日，海南大学南繁学院（三亚南繁研究院）罗杰团队Evangelos Tatsis课题组在Plant Communications上发表了最新研究成果“Three cytochrome P450 enzymes consecutively catalyze the biosynthesis of furanoclerodane precursors in Salvia species”，该研究表明鼠尾草一串红 (Salvia splendens) 可以作为研究美洲鼠尾草属植物中呋喃克罗烷类化合物生物合成的模式物种，为植物次生代谢产物进化研究提供了新型模式体系。所鉴定的关键酶基因为实现salvinorin A等药用成分的微生物异源合成奠定了分子基础，对天然药物开发具有重要应用价值。

原产于美洲的鼠尾草属（Salvia spp.）植物以其特有的呋喃克罗烷型二萜化合物而备受关注。典型代表如墨西哥鼠尾草（Salvia divinorum）中分离的salvinorin A，其已被证实具有调控阿片受体活性，但其生物合成机制因缺乏基因组数据而长期未获突破。本研究选取近缘物种观赏性鼠尾草一串红 (Salvia splendens) 为模式材料，该物种富含结构高度相近的呋喃克罗烷型二萜化合物salviarin，为解析该类化合物的合成通路提供了理想体系（图1）。

图1. 源于美洲鼠尾草的呋喃克罗烷型二萜化合物具有相似的结构

团队前期研究已明确解析一串红中参与克罗烷型二萜骨架合成的II型和I型二萜合酶。本研究通过整合自组织映射算法与转录组共表达网络分析，从单拷贝的II型二萜合酶出发，成功鉴定出3种分别归属于CYP76AH与CYP728D家族的细胞色素P450酶，可依次将骨架前体kolavenol转化为salviarin 合成下游中间产物: annonene, hardwickiic acid 和 hautriwaic acid （图2）。值得注意的是， annonene和hardwickiic acid也被推测为salvinorin A生物合成的中间体。

图2.一串红中参与从kolavenol到hautriwaic acid的呋喃克罗烷二萜生物合成酶鉴定

酶功能鉴定表明，annonene 合成酶所属的CYP76AH36基因家族通过串联复制产生功能分化，驱动了一串红中呋喃克罗烷代谢途径的形成（图3）。比较基因组学研究揭示，同样富含呋喃克罗烷型二萜化合物的美洲鼠尾草奇亚（Salvia hispanica）也具有类似串联复制形成的CYP76AH36基因拷贝，而亚洲鼠尾草丹参（Salvia miltiorrhiza）则缺乏CYP76AH36基因，且未有呋喃克罗烷化合物相关报道。这一发现提示美洲鼠尾草属植物可能在物种分化前已形成呋喃克罗烷合成的祖征。

图3. 一串红中annonene 合成酶起源于基因串联复制的功能分化

为了验证美洲鼠尾草物种中呋喃克罗烷类化合物是否具有共同进化起源，团队也解析了墨西哥鼠尾草转录组数据，成功鉴定了可能同源的基因SdKSL、SdANS和SdHDAS，其编码蛋白分别具有kolavenol合成酶、annonene合成酶和hardwickiic acid合成酶活性。该发现不仅证实了呋喃克罗烷类化合物在鼠尾草属中的保守合成路径，更从分子水平揭示了salvinorin A的生物合成基础。

该研究表明，一串红可以作为研究美洲鼠尾草属植物中呋喃克罗烷类化合物生物合成的模式物种，为植物次生代谢产物进化研究提供了新型模式体系。所鉴定的关键酶基因为实现salvinorin A等药用成分的微生物异源合成奠定了分子基础，对天然药物开发具有重要应用价值。

Cathie Martin课题组博士生林若曦与Evangelos Tatsis课题组助理研究员李海修为该论文的共同第一作者，Evangelos Tatsis研究员为论文的通讯作者。该工作获得了中国科学院先导项目、中国科学院国际合作项目、国家自然科学基金青年科学基金与英国生物科学与技术基金（BBSRC）等项目的资助。

来源：海南大学