Nature Communications | 东北林业大学王宇/张旸/李玉花团队解析刺人参基因组

RK型人参皂苷因抗肿瘤和抗炎活性受到广泛关注，但这些脱水达玛烷型皂苷在栽培人参中并不天然存在，现行获取方式依赖热加工转化，效率低且副产物复杂。2026年6月25日，东北林业大学王宇教授、张旸教授和李玉花教授团队在《Nature Communications》发表了题为“The Oplopanax elatus genome reveals dammaradienol synthase evolution enabling reconstruction of RK type ginsenosides biosynthesis”的研究论文，该研究完成了刺人参染色体级别基因组的解析，阐明了达玛二烯醇合酶从祖先多功能三萜合酶演化的分子路径并找到了控制产物特异性的关键氨基酸，还在本氏烟草中实现了Rk1、Rk2和Rk3三种RK型人参皂苷的从头合成。

刺人参是人参的近缘植物，研究团队前期通过GC-MS代谢谱分析发现刺人参叶片大量积累达玛二烯醇，而达玛二烯醇正是RK型皂苷的骨架前体，但LC-MS检测显示所有组织中均不存在Rk1、Rk2和Rk3这三种终产物。这种有前体却无产物的矛盾现象促使他们从基因组层面去寻找答案。研究团队利用PacBio HiFi和Hi-C数据完成了刺人参异源四倍体基因组的组装，最终组装的基因组总大小为1.49 Gb并锚定到了24条染色体上，BUSCO评估显示基因组完整性达到了99.38%。通过比较基因组学分析他们明确了刺人参在五加科中的系统位置并且发现其与刺五加共享一个较近的共同祖先，全基因组复制事件分析则揭示五加科共享了一次古老的WGD事件（Ks≈0.3），而异源四倍体物种包括刺人参、刺五加和人参额外经历了一次相对近期（Ks≈0.1）的多倍化事件。

在基因组的基础上研究团队鉴定了刺人参基因组中所有OSC候选基因，并通过本氏烟草瞬时表达系统对它们逐一进行了功能验证。OeOSC14催化2，3-氧化鲨烯环化生成达玛二烯醇这一单一主产物，因此被鉴定为达玛二烯醇合酶，与其相邻的OeOSC12则表现出典型的多功能三萜合酶特征，同时产生α-香树脂醇、β-香树脂醇、达玛烯二醇II以及达玛二烯醇等多种产物。这两个蛋白序列仅有20个氨基酸残基的差异却对应着完全不同的产物谱。研究团队随后整合了129个已功能鉴定的真双子叶植物OSC以及来自8个五加科基因组的所有OSC进行了大规模系统发育分析，结果显示OeOSC14以及人参属的达玛烯二醇合酶都嵌套在BAS/mTTS谱系内部，这表明这些四环三萜合酶很可能从BAS-like祖先演化而来。随后，团队进行共线性分析进一步阐明OeOSC14所在的染色体区域经历了局部的小规模复制和基因组重排，在刺人参和刺五加所在的支系中mTTS-like基因发生了局部扩增，而DDS-like拷贝则在刺人参和辽东楤木中发生了假基因化或丢失。

研究团队通过定点突变和生化实验进一步研究了产物特异性转换的分子基础，他们对OeOSC14中6个在与其他家族对比中表现特异的活性位点残基逐一进行了突变。团队的产物分析结果显示N260Y单点突变使OeOSC14彻底丧失了达玛二烯醇合酶活性，转而产生了α-香树脂醇、β-香树脂醇和达玛烯二醇II的混合物，表型完全转变为mTTS模式，而其他位点的突变主要影响催化效率而非产物类型。进一步地，团队发现来自黄芩的多功能三萜合酶SbYAS引入Y259N突变后其产物几乎全部转向了达玛二烯醇，人参的PgYAS和刺人参自身的OeOSC12在引入相应突变后也获得了达玛二烯醇的生产能力。紧接着，团队用AlphaFold3结构预测和分子对接分析显示N260Y突变改变了活性口袋中酪氨酸与保守苯丙氨酸F413之间的空间关系进而重塑了配体的结合构象。

既然刺人参能够高效合成达玛二烯醇却完全不产生RK型人参皂苷，研究团队接着探究了下游的阻断究竟发生在哪一步。在人参中催化C12羟基化的CYP716A47和催化C6羟基化的CYP716A53v2是已知的关键酶，但研究团队对刺人参基因组中所有CYP716A家族成员进行了系统发育和共线性分析后发现，刺人参的两个亚基因组中对应PgCYP716A47的共线性区域均只剩下不完整的基因残基，一个仅保留了约350 bp的3’片段另一个仅约130 bp，这些残基不包含完整的开放阅读框因而无法编码功能蛋白。LC-MS也未在刺人参中检测到任何依赖C12羟基化的达玛烷型人参皂苷，C12羟化酶基因在两个亚基因组中的同时丢失彻底阻断了刺人参将达玛二烯醇向下游推进的氧化修饰步骤。研究团队进一步在本氏烟草中重构了完整的RK型皂苷合成通路，他们将OeOSC14、人参的C12和C6羟化酶以及筛选到的4个刺人参UGT按不同组合共表达，GC-MS检测到了12-羟基达玛二烯醇和6，12-二羟基达玛二烯醇两个中间产物，LC-MS分析进一步确认了Rk3（产量23.07 μg/g DW）、Rk2（0.76 μg/g DW）和Rk1（7.23 μg/g DW）的生成。该研究首次在植物底盘实现了RK型人参皂苷的从头合成，为利用植物生产高价值稀有皂苷开辟了可行路径。

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